示波器探头如何测量低幅度信号

测量低幅度信号提出了一套独特的挑战。最主要的挑战是噪声和足够的测量灵敏度问题。

降低噪声

在测量几百毫伏以上的信号时可以忽略不计的环境噪声，在测量几十毫伏以下的信号时不能再忽略不计。结果，为降低测量系统捡拾的噪声，必需最大限度地减少接地环路，并使地线尽可能短。在极限情况下，可能必需使用电源线滤波器和屏蔽室，以对幅度非常低的信号进行无噪声测量。

但是，在进入极端条件前，应考虑把信号平均作为解决噪声问题的一种简单、经济的解决方案。如果试图测量的信号是重复的，试图消除的噪声是随机的，信号平均可以有效改善采集的信号的SNR(信噪比)。图6.12说明了其中一个实例。

6.12.a和图6.12b.通过信号平均(b)可以清洁有噪声的信号(a)

信号平均是大多数数字存储示波器(DSO)标准配备的功能。其工作方式是对多次采集的重复波形求和，然后从多次采集中计算得出平均波形。由于随机噪声的长期平均值为零，因此信号平均过程降低了重复信号上的随机噪声。改进的程度用SNR表示。在理想情况下，信号平均功能每两次平均的功率会使SNR改进3dB。因此，平均两次波形采集(21)可以使SNR改进3dB，平均四次波形采集(22)可以使SNR改进6dB，平均八次(23)可以使SNR改进9dB，依此类推。

提高测量灵敏度

示波器的测量灵敏度是其输入电路的函数。输入电路放大或衰减输入信号，以便在示波器屏幕上以校准的幅度显示信号。可以通过示波器的垂直灵敏度设置，选择显示信号所需的放大或衰减量，垂直灵敏度设置以每格伏数(V/div)进行调节。

为显示和测量小信号，示波器输入必须有足够增益或灵敏度，至少要提高几格的信号显示高度。例如，为两格高显示20mV峰峰值信号，示波器要求10mV/格的垂直灵敏度。同样为两格显示10mV信号,需要以更高的灵敏度设置5mV/格。注意，每格伏数设置低会导致灵敏度高，反之亦然。

测量小信号除要求充足的示波器灵敏度外，还需要充足的探头。一般来说，这不是大多数示波器作为标准附件提供的普通探头。标准配套探头通常是10X探头，它以系数10降低示波器灵敏度。换句话说，在使用10X探头时，5mV/格示波器设置会变成50mV/格。结果，为使示波器保持最高的信号测量灵敏度，必需使用非衰减的1X探头。

但是，要注意1X无源探头的带宽较低，输入阻抗较低，头部电容一般较高。因此您要额外注意测量的小信号的带宽限制及探头可能导致的信号源负荷。如果任何一项表明出现问题，那么较好的方法是利用1X有源探头提供高得多

的带宽和低得多的负荷。

在小信号幅度低于示波器的灵敏度范围的情况下，必需使用某种形式的前置放大技术。由于非常小的信号很容易受到噪声影响，因此通常使用差分前置放大技术。差分前置放大技术通过共模抑制，在一定程度上实现了抗噪声能力，另外它可以放大小信号，从而使其落在示波器的灵敏度范围内。

在使用为示波器设计的差分前置放大器时，可以实现10µV/格等级的灵敏度。这些专门设计的前置放大器拥有相应的功能，允许在最小5µV的信号上进行可用的示波器测量，甚至可以在噪声高的环境中进行测量！

但要记住，全面利用差分放大器要求使用一套匹配的优质无源探头。未能使用匹配的探头会损害差分前置放大器的共模噪声抑制功能。

另外，在需要进行单端测量、而不是差分测量的情况下，负信号探头可以连接到测试电路接地上。这在本质上是在信号线和信号接地之间进行的一种差分测量。但在这样做时，会丧失共模噪声抑制功能，因为信号线和接地没有共同的噪声。

最后要注意，一直要遵守制造商推荐的连接和使用所有探头和探头放大器的程序。特别是在使用有源探头时，要特别注意可能会损坏对电压灵敏的探头器件的过压问题。
 

审核编辑：汤梓红