本指南可以幫助您最大限度地利用探頭和其它設備，文章總共包含7個部分內容，因內容過長，我們分了3篇文章來講解，之前我們講解了1-4這四部分內容，今天小泰就將最後3部分完整內容帶給大家。
- 探頭 - 測量質量的關係環節 （請見上上期內容）
- 不同探頭滿足不同需求（請見上上期內容）
- 探頭選型指南（請見上期內容）
- 探頭對測量的影響（請見上期內容）
- 瞭解探頭指標
- 高級探測技術
- 安全注意事項說明
瞭解探頭指標
在前面幾章中，我們已經討論了大多數主要探頭指標，包括探頭類型或探頭對測量的影響。
本章彙總了所有主要探頭指標參數，用戶可以更簡便地進行參照。
下面按字母順序列明瞭各個指標；並不是任何探頭都適用所有這些指標。例如，插入阻抗指標僅適用於電流探頭；其它指標( 如帶寬) 則是通用指標，適用於所有探頭。
畸變 ( 通用指標)
畸變是輸入信號預計響應或理想響應的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉換之間通常會立即發生畸變，其表現為所謂的“振鈴”。畸變作為最終脈衝響應電平± 百分比進行測量或指定( 參見圖5.1)。這一指標可能還包括畸變的時間窗口，例如：
在前30 ns 內，畸變不應超過峰峰值的±3% 或5%。
圖5.1. 相對於100% 脈衝高度測量畸變的實例。
圖5.2. 過分補償探頭導致的畸變。
畸變
在脈衝測量上看到畸變過多時，在認為畸變是探頭故障來源時，一定要考慮所有可能的來源。例如，畸變實際上是信號源的一部分嗎？還是探頭接地技術導致的？
觀察到的畸變最常見的來源之一，是疏於檢查及正確調節電壓探頭的補償功能。嚴重過度補償的探頭會在脈衝邊沿之後立即導致明顯的峰值( 參見圖5.2)。
精度 ( 通用指標)
對電壓傳感探頭，精度一般是指探頭對DC 信號的衰減。探頭精度的計算和測量一般應包括示波器的輸入電阻。因此，只有在與擁有假設輸入電阻的示波器一起使用探頭時，探頭精度指標才是正確的或適用的。精度指標實例如下：
在3% 範圍內 10X ( 對1 兆歐±2% 的示波器輸入)對電流傳感探頭，精度指標是指電流到電壓轉換的精度。這取決於電流變壓器線圈比及端接電阻的值和精度。使用專用放大器的電流探頭的輸出在安培/ 格中直接校準，精度指標用電流/ 格設定值百分比的衰減器精度指定。
安培秒乘積 ( 電流探頭)
對電流探頭，安培秒乘積規定了電流變壓器磁芯的能量處理功能。如果平均電流和脈寬的乘積超過額定安培秒乘積，磁芯會飽和。這種磁芯飽和會導致在飽和過程中發生的波形部分被削掉或被抑制。如果沒有超過安培秒乘積，那麼探頭的信號電壓輸出將呈線性，並保證測量精度。
衰減係數 ( 通用指標)
所有探頭都有一個衰減係數，某些探頭可能會有可以選擇的衰減係數。典型的衰減係數是1X、10X 和100X。
衰減係數是探頭使信號幅度下降的程度。1X 探頭不會降低或衰減信號，而10X 探頭則會把信號降低到探頭尖端幅度的1/10。探頭衰減係數允許擴展示波器的測量範圍。例如，100X 探頭允許測量幅度高出100 倍的信號。
1X、10X、100X 這些名稱源於以前示波器不會自動傳感探頭衰減及相應地調節標度係數。例如，10X 名稱提醒您所有幅度測量結果都需要乘以10。當前示波器上的讀數系統自動傳感探頭衰減係數，並相應地調節標度係數讀數。
電壓探頭衰減係數使用電阻電壓分路器技術實現。結果，探頭的衰減係數越高，輸入電阻一般也越高。另外，分路器效應會分隔探頭電容，衰減係數越高，有效表示的探頭頭部電容越低。
圖5.3. 帶寬是正弦波的幅度下降70.7% (-3 dB) 的響應曲線中的頻率
帶寬 ( 通用指標)
所有探頭都有帶寬。10 MHz 探頭有10 MHz 的帶寬，100 MHz 探頭有100 MHz 的帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應導致輸出幅度下降到70.7% (-3 dB) 的頻率，如圖5.3 所示。
還應指出，某些探頭還有低頻帶寬限制。例如，這適用於AC 電流探頭。由於其設計，AC 電流探頭不能傳送DC 或低頻信號，因此，必須使用兩個值指定其帶寬，一個值用於低頻，一個值用於高頻。對示波器測量，真正擔心的問題是示波器和探頭的綜合總帶寬。這種系統性能最終決定著測量功能。遺憾的是，把探頭連接到示波器上會導致帶寬性能出現一定程度的下降。例如，結合使用100 MHz 通用探頭和100 MHz 示波器時，會導致測量系統的帶寬性能略低於100 MHz。為避免整體系統帶寬性能不確定性，泰克指定了無源電壓探頭，以在與指定的示波器型號使用時在探頭尖端上提供規定的測量系統帶寬。
在選擇示波器和示波器探頭時，要認識到帶寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。因此，為實現最大的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計劃測量的最高頻率波形高几倍的示波器和探頭。
這同樣適用於測量波形上升時間和下降時間。波形轉換( 如脈衝和方波邊沿) 是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發生衰減，導致顯示的轉換慢於實際轉換速度。為精確地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構成波形上升時間和下降時間的高頻率。最常見的情況下，這使用測量系統的上升時間指明，上升時間一般應該比要測量的上升時間快4-5 倍。
電容 ( 通用指標)
一般來說，探頭電容指標是指探頭尖端上的電容。這是探頭在被測電路測試點或被測器件上的電容。探頭尖端電容非常重要，因為它影響著測量脈衝的方式。低頭部電容最大限度地降低了進行上升時間測量的誤差。此外，如果脈衝的時長低於探頭RC 時間常數的五倍，會影響脈衝的幅度。
探頭還對示波器輸入表示電容，這隻探頭電容應與示波器電容相匹配。對10X 和100X 探頭，這一電容稱為補償範圍，它不同於頭部電容。對探頭匹配，示波器的輸入電容應位於探頭的補償範圍內。
CMRR ( 差分探頭)
共模抑制比(CMRR) 是指差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點共用的任何信號的能力。這是差分探頭和放大器的一個關鍵指標，其公式為：
CMRR = |Ad/Ac|
其中：
Ad = 差分信號的電壓增益。
Ac = 共模信號的電壓增益。
在理想情況下，Ad 應該很大，而Ac 則應該等於0，因此CMRR 無窮大。在實踐中，10,000:1 的CMRR已經被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號，使其在輸出上顯示為0.5 毫伏。這種抑制對存在噪聲時測量差分信號非常重要。
由於CMRR 隨著頻率提高而下降，因此指定CMRR的頻率與CMRR 值一樣重要。在高頻上CMRR 高的差分探頭要好於在低頻上相同CMRR 的差分探頭。
衰退時間常數 ( 電流探頭)
衰退時間常數指標表明瞭電流探頭支持脈衝的能力。這一時間常數是次級電感( 探頭線圈) 除以端接電阻。衰退時間常數有時稱為探頭L/R 比。L/R 比越大，在幅度沒有明顯衰退或下落的情況下可以表示的電流脈衝越長。L/R 比越小，在脈衝實際完成前，將看到長時間的脈衝衰落到零。
直流( 電流探頭)
直流降低了電流探頭線圈磁芯的導磁率。導磁率下降導致線圈電感和L/R 時間常數下降，進而會降低低頻的耦合性能，及導致低頻電流測量響應丟失。某些AC 電流探頭提供了電流抵償選項，這些選項可以清空DC 的效應。
頻率電流額定值下降 ( 電流探頭)
電流探頭指標應包括幅度與頻率額定值下降關係曲線，這一曲線把磁芯飽和與提高的頻率關聯起來。頻率提高對磁芯飽和的影響在於，當波形頻率或幅度提高時，平均電流為零安培的波形幅度峰值會被削掉。
插入阻抗( 電流探頭)
插入阻抗是從電流探頭的線圈( 二級) 轉換到被測的攜帶電流的導線(the primary) 中的阻抗。一般來說，電流探頭反射的阻抗值可以位於幾毫歐範圍內，對阻抗為25 歐姆及以上的電路影響不大。
輸入電容 ( 通用指標)
探頭尖端上測量的探頭電容。輸入電阻 ( 通用指標)探頭的輸入電阻是在零赫茲(DC) 時探頭置於測試點上的阻抗。
最大額定輸入電流 ( 電流探頭)
最大額定輸入電流探頭可以接受、同時仍能實現規定性能的總電流(DC 加峰值AC)。在AC 電流測量中，必須根據頻率降低峰到峰額定值，以計算最大總輸入電流。
最大額定峰值脈衝電流( 電流探頭)
不應超過這一額定值，它考慮了磁芯飽和及可能損壞設備的次級電壓積累。最大額定峰值脈衝電流通常規定為安培秒乘積。
最大額定電壓( 通用指標)
應避免接近探頭最大額定值的電壓。最大額定電壓取決於探頭機身或測量點上探頭器件的額定擊穿電壓。
傳播延遲 ( 通用指標)
每隻探頭都提供隨信號頻率變化的部分數量很小的時延或相位位移。傳播延遲是探頭器件及信號通過這些器件從探頭尖端傳送到示波器連接器所需時間的函數。
通常情況下，最明顯的位移是由探頭電纜導致的。例如，42 英寸的專用探頭電纜段擁有5 ns 的信號延遲。對1 MHz 信號，5 ns 延遲會導致相位位移兩度。電纜越長，導致的相應信號延遲越長。
通常只有在兩個以上的波形之間進行比較測量時，傳播延遲才會成為問題。例如，在測量兩個波形之間的時間差時，應使用匹配的探頭採集波形，以使得每個信號通過探頭時經歷相同的傳播延遲。
另一個實例是組合使用電壓探頭和電流探頭進行功率測量。由於電壓探頭和電流探頭採用的結構明顯不同，因此它們的傳播延遲也不同。這些延遲是否影響功率測量，取決於被測波形的頻率。對Hz 信號和kHz 信號，延遲差異一般並不明顯。但對MHz 信號，延遲差異會產生明顯的影響。
上升時間 ( 通用指標)
探頭對步進函數10 - 90% 的響應，表明了探頭可以從頭部到示波器輸入傳送的快速測量轉換。為在脈衝上精確地測量上升時間和下降時間，測量系統的上升時間 ( 示波器和探頭之和) 應比要測量的快速測試轉換快3-5 倍。
正切噪聲 ( 有源探頭)
正切噪聲是在有源探頭中指定探頭生成的噪聲的一種方法。正切噪聲係數大約是RMS 噪聲的兩倍。
溫度範圍 ( 通用指標)
由於感應到線圈磁屏蔽層中的能量導致的加熱效應，電流探頭有一個最大工作溫度。溫度提高會導致損耗提高。因此，電流探頭有一個最大幅度與頻率額定值下降關係曲線。
衰減器電壓探頭( 即10X, 100X 等) 可能會因溫度變化而導致精度變化。
門限電壓( 邏輯探頭)
邏輯探頭測量和分析信號的方式不同於其它示波器探頭。邏輯探頭不測量模擬細節，而是檢測邏輯門限電平。在您使用邏輯探頭把混合信號示波器連接到數字電路上時，您只關心信號的邏輯狀態。這時只有兩種關心的邏輯電平。在輸入超出門限電壓(Vth) 時，電平稱為“高”或“1”；相反，低於Vth 的電平為“低”或“0”。在對輸入採樣時，混合信號示波器會存儲一個“1”或一個“0”，具體視相對於電壓門限的信號電平而定。
邏輯探頭能夠一次捕獲大量的信號，正是這一點使其不同於其它示波器探頭。這些數字採集探頭連接到被測器件，在探頭內部補償器上，輸入電壓與門限電壓(Vth) 對比，判斷信號的邏輯狀態(1 還是0)。門限值由用戶設置，從TTL 電平到CMOS、ECL 及用戶自定義門限。
圖6.1. 由於使用6 英寸的探頭地線(a)，快速步進(1 ns Tr)上面發生了畸變。通過移動探頭電纜或把手放在電纜上(b)，可以改變這些畸變。
高級探測技術
前面幾章已經介紹了與示漢器探頭及其使用有關的所有基本信息。對大多數測量環境，只要注意下述基本問題，與示波器一起提供的標準探頭就已經足夠了：
- 帶寬 / 上升時間極限
- 信號源負荷潛力
- 探頭補償調節
- 正確的探頭接地
但是，最終您會遇到超越基本知識之上的某些探測環境。
本章介紹了可能遇到的某些高級探測問題，先從我們的老朋友—地線開始。
地線問題
由於很難確定及為測量確定一個真正的接地參考點，示波器測量中仍需考慮地線問題。這種困難源於這樣一個事實，不管是探頭上的地線還是電路中的地線都具有電感，在信號頻率提高時，會成為自己的電路。
第一章中已經討論和說明了其中一個影響，即長地線導致脈衝上出現振鈴。除成為振鈴和其它波形畸變的來源外，地線還成為噪聲的接收天線。
為防止地線問題，首先可以進行推測。應一直懷疑信號顯示器屏幕上觀察到的任何噪聲或畸變。噪聲或畸變可能是信號的一部分，也可能是測量過程導致的結果。下面的討論提供了相關信息和指南，可以確定畸
變是不是測量流程的一部分，如果是，怎樣處理這個問題。
地線長度
任何探頭地線都有一定的電感，地線越長，電感越大。在與探頭尖端電容和信號源電容相結合時，地線電感形成一條諧振電路，在某些頻率上導致振鈴。為觀察接地不良導致的振鈴或其它畸變，必須存在下面兩個條件：
1. 示波器系統帶寬必須足夠高，能夠處理探頭尖端上信號的高頻成分。
2. 探頭尖端上的輸入信號必須包含足夠的高頻信息( 快速上升時間)，由於接地不良會導致振鈴或畸變。
圖6.1 說明了在滿足上述兩個條件時可以看到的振鈴和畸變實例。圖6.1 中所示的波形是使用350 MHz 示波器、同時使用6 英寸地線的探頭測量的。探頭尖端上的實際波形是一個步進波形，其上升時間為1 ns。這個1 ns 的上升時間等於示波器的帶寬(BW ≈ 0.35/Tr)，擁有足夠的高頻成分，可以在探頭的接地電路中引起振鈴。這個振鈴信號與步進波形並聯注入系統中，顯示為步進頂部的畸變，如圖6.1 所示。
在使用相同的示波器和探頭採集同一個步進波形時，得到圖6.1 中的兩個波形顯示。但要注意，圖6.1b 中的畸變與圖6.1a 相比略有不同。通過稍微重新確定探頭電纜位置，把一隻手放在探頭電纜部分，可以獲得圖6.1b 中看到的差異。重新確定電纜位置及在電纜附近放一隻手，導致探頭接地電路的電容和高頻端子特點發生小的變化，進而改變了畸變。
探頭地線可能會在快速轉換的波形上導致畸變，意識到這一點非常重要。同樣還認識到，波形上看到的畸變可能只是波形的一部分，而不是由於探頭接地方法引起的。為區分這兩種情況，可以移動探頭電纜。如果把手放在探頭上或移動電纜導致畸變發生變化，那麼畸變是由探頭接地系統導致的。正確接地( 端接) 的探頭對電纜位置或接觸根本不敏感。
圖6.2. ECB 到探頭尖端適配器。
圖6.3. 通過ECB 到探頭尖端適配器採集的上升時間為1 ns的步進波形。
為進一步說明上述觀點，我們再次使用相同示波器和探頭採集相同的波形。只是這一次去掉了6 英寸探頭地線，而通過安裝ECB 到探頭尖端適配器來採集步進信號( 參見圖6.2)。圖6.3 是得到的沒有畸變的步進波形顯示。去掉了探頭地線及在ECB 到探頭尖端適配器中直接端接探頭，幾乎從波形顯示中消除了所有畸變。
顯示圖形現在精確繪製了測試點上的步進波形。從上面的實例中可以得出兩個主要結論。首先在探測快速信號時，地線應儘可能短。其次，通過設計產品測試能力，產品設計人員可以保證更高效地維護和檢修產品，包括在必要的地方使用ECB 到探頭頭部適配器，以更好地控制測試環境，避免在安裝或維護過程中錯誤地調節產品電路。
圖6.4. 無源探頭與有源探頭相比地線影響的實例。左面的三條軌跡顯示了在無源探頭上使用1/2 英寸、6 英寸和12英寸地線時對波形的影響。右面的軌跡顯示了使用同一條地線採集的同一波形，但使用的是有源FET 探頭。
在沒有安裝ECB 到探頭尖端適配器的環境中需要測量快速波形時，記住要使探頭地線儘可能短。在許多情況下，這可以使用內置接地頭部的專用探頭尖端適配器完成。但也可以使用有源FET 探頭。由於高輸入阻抗及極低的頭部電容( 通常小於1 pF)，FET 探頭可以消除無源探頭遇到的許多地線問題，圖6.4 進一步說明了這一點。
地線噪聲問題
噪聲是可以在示波器波形顯示器上顯示的另一類信號失真。與振鈴和畸變一樣，噪聲可能實際上是探頭尖端上的信號的一部分，也可能是因為不正確的接地技術而導致的信號。其區別在於，噪聲一般來自外部來源，其外觀和監測的信號速度無關。換句話說，接地不良可能會導致顯示在任何速度的任何信號上的噪聲。
通過探測技術可以在信號上表示噪聲的主要機制有兩種。一種是接地環路噪聲注入機制，另一種是通過探頭電纜或探頭地線實現的電感撿拾機制。下面詳細討論了這兩種機制。
圖6.5. 在兩個不同電源插座上，示波器、探頭和測試電路完整的接地電路或接地環路。
接地環路噪聲注入
在示波器公共電位和測試電路電源線接地及探頭地線和電纜之間存在接地環路時，接地環路中不想要的電流流動可能會導致在接地系統中注入噪聲。正常情況下，所有這些點為零伏，或應該為零伏，將不會有接地電流流動。但是，如果示波器和測試電路位於不同的大樓系統接地上，在一個大樓接地系統上可能會有小的電壓差或噪聲( 參見圖6.5)。結果導致的電流流動會在探頭外部電纜屏蔽層中形成電壓下跌。這個噪聲電壓將注入到示波器中，與探頭尖端的信號形成串聯。結果，可以看到感興趣的信號上疊加了噪聲，或感興趣的信號可能會疊加在噪聲上。
在接地環路噪聲注入中，噪聲通常是線路頻率噪聲 (50或60 Hz)。但通常情況下，噪聲可能會採用尖峰形式或突發形式，這是大樓設備導致的，如空調、開關等。可以採取各種措施，避免或最大限度地降低接地環路噪聲問題。第一種方法是對示波器和被測電路使用相同的電源電路，以最大限度地降低接地環路。此外，探頭及其電纜應遠離潛在的噪聲源。特別是，不要把探頭電纜與設備電力電纜並排或交叉。
如果一直存在接地環路噪聲問題，可能需要通過下述方法之一使接地環路短路：
- 使用接地隔離監測儀。
- 在測試電路或示波器上使用電源線隔離變壓器。
- 使用隔離放大器，把示波器探頭與示波器隔開。
- 使用差分探頭進行測量 ( 抑制共模噪聲)。
在任何情況下，都不應通過把安全三線接地系統發生缺陷，來隔離示波器或測試電路。如果必需進行浮動測量，應使用製造商認可的隔離變壓器，最好使用為示波器專門設計的接地隔離監測儀。
注意
為避免觸電，在把探頭連接到被測電路前，一直要把探頭連接到示波器或探頭隔離器上。感應的噪聲通過感應到探頭電纜中，噪聲可以進入公共接地系統，特別是在使用帶有長電纜的探頭時。接近電源線或其它承載電流的導線可能會在探頭的外部電纜屏蔽層中引起電流流動。通過大樓系統公共接地會形成電路。為最大限度地降低這個潛在噪聲來源，在可能時應使用電纜較短的探頭，同時一直要使探頭電纜遠離可能的干擾源。
噪聲還可以直接感應到探頭地線中，這是典型的探頭地線導致的結果，在連接到測試電路時，其表現為單圈環路天線。這個地線天線特別容易受到邏輯電路或其它快速變化的信號導致的電磁干擾影響。如果探頭地線的位置與被測電路板上的特定區域太近，如時鐘線，地線可能會撿拾信號，並與探頭尖端上的信號混合在一起。
在信號的示波器顯示屏上看到噪聲時，問題是這個噪聲是作為探頭尖端上信號的一部分發生的？還是感應到探頭地線中的？
為回答這個問題，可以試著移動探頭地線。如果噪聲信號電平變化，那麼噪聲是感應到地線中的信號。識別噪聲來源的另一個非常有效的方法是把探頭從電路上斷開，把探頭地線夾到探頭尖端上。然後沿著電路來回移動這隻探頭頭部/ 地線環路天線。這個環路天線將撿拾電路中強烈輻射的噪聲區域。圖6.6 說明了通過把探頭地線連接到探頭尖端上進行搜索，可以在邏輯電路板上找到有哪些噪聲來源。
為最大限度地降低感應到探頭接地中的噪聲，應使地線遠離被測電路板上的噪聲來源。此外，縮短地線可以降低撿拾的噪聲數量。
圖6.6. 電路板在探頭接地環路中感應的噪聲實例 ( 探頭頭部在接地夾上短路)。
差分測量
從嚴格意義上講，所有測量都是差分測量。對把探頭連接到信號點、把探頭地線連接到電路接地上的標準示波器測量，實際上是測量測試點和接地之間的信號差異。從這個意義上講，有兩條信號線，即接地信號線和測試信號線。
但在實踐中，差分測量是指測量的兩條信號線都在接地之上。這要求使用某類差分放大器，以便能夠以代數方式把兩條信號線 ( 雙端信號源) 加總到參考接地的一條信號線中( 單端信號)，然後再輸入到示波器中，如圖6.7 所示。差分放大器可以是隸屬於探測系統的
專用放大器，或如果示波器支持波形數學運算，可以在單獨的示波器通道上採集每個信號線然後以代數方式對兩條通道求和。不管是兩種情況，抑制共模信號都是差分測量質量的重要因素。
瞭解差模信號和共模信號。理想的差分放大器會放大兩個輸入之間的“差分”信號VDM，全面抑制兩個輸入任何公共的電壓VCM。其得到一個輸出電壓，公式
如下：
Vo - Av (V+in - V-in)
其中：
Av = 放大器的增益
Vo = 參考接地輸出信號
圖6.7. 一個差分放大器有兩條信號線，這兩條信號線以差分方式連接參考接地的一個信號。
圖6.8. 用來測量反相器電橋中上方晶體管的門到源電壓的差分放大器。注意，在測量期間源電位變化了350V。
感興趣的電壓或差分信號稱為差分電壓或差模信號，其表示為：VDM
其中：
VDM = 上面公式中的V+in 項 - V-in 項
注意共模電壓VCM 並不是上述公式的一部分，這是因為理想的差分放大器會抑制所有共模成分，而不管其幅度或頻率是多少。
圖6.8 提供了使用差分放大器測量反相器電路中上方MOSFET 設備的門驅動裝置的實例。在MOSFET 開關時，源電壓從正供電軌道擺到負供電軌道。變壓器允許門信號參考信號源。差分放大器允許示波器以足夠的分辨率測量真正的VGS 信號( 幾伏擺幅)，如2V/ 格，同時抑制接地信號源的幾百伏轉換。
在實際環境中，差分放大器並不允抑制所有共模信號。少量的共模電壓會在輸出中表現為錯誤信號，而不能從希望的差分信號中把這種共模錯誤信號分開。
差分放大器能夠最大限度地縮小不希望的共模信號的能力，稱為共模抑制比，或簡寫為CMRR。CMRR 的真正定義是“差模增益除以參考輸入的共模增益”：
CMRR = ADM/ACM
在評估時，可以在沒有輸入信號的情況下評估CMRR性能。然後，CMRR 會變成明顯的VDM，可以在共模輸入導致的輸出上看到這個VDM。這可以用比率表示，如10,000:1，也可以用dB 表示：
dB = 20 log (ADM/ACM)
例如，10,000:1 的CMRR 等於80 dB。為查看其重要意義，假設需要在音頻功放器的輸出阻尼電阻器中測量電壓，如圖6.9 所示。在全負荷下，通過阻尼器的電壓(VDM) 應達到35 mV，輸出擺幅(VCM) 為80Vp-p。使用的差分放大器在1 kHz 時的CMRR 指標為10,000:1。在使用1 kHz 正弦波把放大器驅動到全功率時，千分之十的共模信號將在差分放大器的輸出上錯誤地顯示為VDM，其將是80 V/10,000 或8 mV。
8 mV 的殘餘共模信號在實際35 mV 信號中代表著高達22% 的誤差!
圖6.9. CMRR 為10,000:1 的差分放大器的共模誤差
必需指出，CMRR 指標並不是一個絕對值。它沒有指明誤差的極性或相位度數。因此，不能簡單地從顯示的波形中減去誤差。此外，CMRR 一般在DC 最高( 最好)，隨著VCM 頻率提高，CMRR 會下降。某些差分放大器會作為頻率的函數繪製CMRR 指標；其它差分放大器則只在一些關鍵頻率上提供CMRR 規範。不管哪種情況，在比較差分放大器或探頭時，都要保證CMRR 比較處在相同的頻率上。
還要注意，CMRR 指標假設共模成分是正弦曲線，而實際情況通常並不是這樣。例如，圖6.8 中的反相器的共模信號是一個30 kHz 方波。由於方波包含著頻率遠遠高於30 kHz 的能量，因此CMRR 可能會要差於30 kHz 點上指定的值。
在共模成分不是正弦曲線時，經驗測試是確定CMRR誤差成分最快捷的方式( 參見圖6.10)。暫時把輸入引線連接到信號源上。示波器現在只顯示共模誤差。現在可以確定誤差信號幅度是否明顯。記住，並沒有指定VCM 和VDM 之間的相位差。因此，從差分測量結果中減去顯示的共模誤差並不能準確地抵消誤差項。
圖6.11. 把兩條輸入線絞合在一起，環路面積非常小，從而可以降低通過環路的場。任何感應的電壓一般都位於通過差分放大器抑制的VCM 通路內。
圖6.10 所示的測試可以很好地確定實際測量環境中的共模抑制誤差程度。但是，有一種效應這種測試解決不了。在兩個輸入都連接到同一點時，放大器看到的驅動阻抗沒有差異。這種情況產生了最好的CMRR性能，但在差分放大器的兩個輸入從明顯不同的信號源阻抗驅動時，CMRR 將會劣化。
最大限度地降低差分測量誤差把差分放大器或探頭連接到信號源上一般是最大的誤差來源。為保持輸入匹配，兩條通路應儘可能完全相同。對兩個輸入，任何線纜的長度都應該相同。如果對每條信號線使用單獨的探頭，那麼它們應該採用相同的型號和電纜長度。在使用大的共模電壓測量低頻信號時，要避免使用衰減探頭。在高增益上，之所以不能使用衰減探頭，因為不可能精確地平衡其衰減。在高壓或高頻應用需要衰減時，應使用為差分應用專門設計的專用無源探頭。這些探頭擁有相應的功能，可以精確地調整DC 衰減和AC 補償。為實現最佳性能，應把一套探頭專用於每個特定的放大器，並使用探頭自帶的程序校準該放大器。單獨的輸入線纜會成為變壓器線圈。穿過環路的任何AC 磁場會對放大器輸入表現為差分，完整地加總到輸出中！為最大限度地降低這種影響，常用方法是把+ 和- 輸入電纜絞合在一個線對中。這降低了線路頻率和其它噪聲撿拾。通過把輸入導線絞合在一起，如圖6.11 所示，任何感應的電壓一般都會位於VCM 通路中，並通過差分放大器進行抑制。通過把兩條輸入導線編碼到一個鐵素體芯上，可以改進容易受到過高共模信號影響的高頻測量。這衰減了兩個輸入共用的高頻信號。由於差分信號以兩個方向穿過磁芯，因此其不受任何影響。
大多數差分放大器的輸入連接器是外殼接地的BNC連接器。在使用探頭或同軸電纜輸入連接時，一直有一個怎樣處理接地的問題。由於測量應用不同，因此並沒有一成不變的硬性規定。在測量低頻率的低電平信號時，最好只在放大器一端連接接地，而在輸入端都不要連接。這為感應到屏蔽中的任何電流提供了一條迴路，但不會產生可能擾亂測量或被測器件的接地環路。在較高的頻率上，探頭輸入電容及導線電感構成了可能會振鈴的串聯“諧振”電路。在單端測量中，通過使用最短的地線，可以最大限度地降低這種效應。這降低了電感，可以有效地提高諧振頻率，其可望超過放大器的帶寬。差分測量在兩隻探頭尖端之間進行，測量中沒有接地的概念。
但是，如果振鈴是由於共模成分快速上升產生的，那麼使用短地線可以降低諧振電路中的電感，進而降低振鈴成分。在某些情況下，通過連接地線，也可以降低快速差分信號導致的振鈴，當共模信號源在高頻上擁有非常低的到地阻抗時，可以採用這種方法，即使用電容器避開振鈴。否則，連接地線可能會使情況變得更糟！如果發生這種情況，應試著在輸入端把探頭一起接地，這可以降低通過屏蔽的有效電感。當然，把探頭接地連接到電路上可能會產生接地環路。
在測量頻率更高的信號時，這通常不會導致問題。在測量高頻率時，最好嘗試有地線時及沒有地線時進行測量；然後使用提供最佳結果的設置。在把探頭地線連接到電路上時，記住要把它連接到接地上！在使用差分放大器時，很容易會忘了接地連接在哪裡，因為差分放大器可以探測電路中的任何地方，而沒有損壞風險。
小信號測量
測量低幅度信號提出了一套獨特的挑戰。最主要的挑戰是噪聲和足夠的測量靈敏度問題。
降低噪聲在測量幾百毫伏以上的信號時可以忽略不計的環境噪聲，在測量幾十毫伏以下的信號時不能再忽略不計。結果，為降低測量系統撿拾的噪聲，必需最大限度地減少接地環路，並使地線儘可能短。在極限情況下，可能必需使用電源線濾波器和屏蔽室，以對幅度非常低的信號進行無噪聲測量。
但是，在進入極端條件前，應考慮把信號平均作為解決噪聲問題的一種簡單、經濟的解決方案。如果試圖測量的信號是重複的，試圖消除的噪聲是隨機的，信號平均可以有效改善採集的信號的SNR ( 信噪比)。圖6.12 說明了其中一個實例。
信號平均是大多數數字存儲示波器(DSO) 標準配備的功能。其工作方式是對多次採集的重複波形求和，然後從多次採集中計算得出平均波形。由於隨機噪聲的長期平均值為零，因此信號平均過程降低了重複信號上的隨機噪聲。改進的程度用SNR 表示。在理想情況下，信號平均功能每兩次平均的功率會使SNR 改進3 dB。因此，平均兩次波形採集(21) 可以使SNR 改進3 dB，平均四次波形採集(22) 可以使SNR 改進6dB，平均八次(23) 可以使SNR 改進9 dB，依此類推。圖6.12.a 和圖6.12b. 通過信號平均(b) 可以清潔有噪聲的信號(a)。
提高測量靈敏度
示波器的測量靈敏度是其輸入電路的函數。輸入電路放大或衰減輸入信號，以便在示波器屏幕上以校準的幅度顯示信號。可以通過示波器的垂直靈敏度設置，選擇顯示信號所需的放大或衰減量，垂直靈敏度設置以每格伏數(V/div) 進行調節。
為顯示和測量小信號，示波器輸入必須有足夠增益或靈敏度，至少要提高几格的信號顯示高度。例如，為兩格高顯示20 mV 峰峰值信號，示波器要求10 mV/格的垂直靈敏度。同樣為兩格顯示10 mV 信號, 需要以更高的靈敏度設置5 mV/ 格。注意，每格伏數設置低會導致靈敏度高，反之亦然。
測量小信號除要求充足的示波器靈敏度外，還需要充足的探頭。一般來說，這不是大多數示波器作為標準附件提供的普通探頭。標準配套探頭通常是10X 探頭，它以係數10 降低示波器靈敏度。換句話說，在使用10X 探頭時，5 mV/ 格示波器設置會變成50 mV/ 格。結果，為使示波器保持最高的信號測量靈敏度，必需使用非衰減的1X 探頭。
但是，正如前幾章討論的那樣，要注意1X 無源探頭的帶寬較低，輸入阻抗較低，頭部電容一般較高。因此您要額外注意測量的小信號的帶寬限制及探頭可能導致的信號源負荷。如果任何一項表明出現問題，那麼較好的方法是利用1X 有源探頭提供高得多的帶寬和低得多的負荷。
在小信號幅度低於示波器的靈敏度範圍的情況下，必需使用某種形式的前置放大技術。由於非常小的信號很容易受到噪聲影響，因此通常使用差分前置放大技術。差分前置放大技術通過共模抑制，在一定程度上實現了抗噪聲能力，另外它可以放大小信號，從而使其落在示波器的靈敏度範圍內。
在使用為示波器設計的差分前置放大器時，可以實現10 μV/ 格等級的靈敏度。這些專門設計的前置放大器擁有相應的功能，允許在最小5 μV 的信號上進行可用的示波器測量，甚至可以在噪聲高的環境中進行測量！
但要記住，全面利用差分放大器要求使用一套匹配的優質無源探頭。未能使用匹配的探頭會損害差分前置放大器的共模噪聲抑制功能。
另外，在需要進行單端測量、而不是差分測量的情況下，負信號探頭可以連接到測試電路接地上。這在本質上是在信號線和信號接地之間進行的一種差分測量。但在這樣做時，會喪失共模噪聲抑制功能，因為信號線和接地沒有共同的噪聲。
最後要注意，一直要遵守制造商推薦的連接和使用所有探頭和探頭放大器的程序。特別是在使用有源探頭時，要特別注意可能會損壞對電壓靈敏的探頭器件的過壓問題。
安全注意事項說明
應閱讀下述安全注意事項，避免造成人身損害，防止損壞測試設備或連接到測試設備上的任何產品。為避免可能造成的損失，應僅根據製造商說明使用測試設備。
記住，所有電壓和電流都具有潛在的危險，包括人身傷害或損壞設備。
觀察所有終端額定數據
- 為避免火災或觸電危險，應觀察產品上的所有額定值和標誌。在連接產品前，應查閱產品手冊，以便獲得進一步的額定值信息。
- 不要對任何端子應用超過該端子最大額定值的電位。
- 僅把探頭的地線連接到接地上。
注意：
對專門設計及規定用於浮動示波器應用中的示波器( 如泰克THS700 系列電池供電的數字存儲示波器)，第二條線是公共線，而不是地線。在這種情況下，應遵守制造商規定的可以連接的最大最大電壓規範。
- 檢查探頭和測試設備說明書，觀察任何額定值下降的信息。例如，隨著頻率提高，最大輸入電壓額定值可能會下降。
- 使用正確的接地程序
- 探頭通過示波器電源線的地線間接接地。為避免觸電危險，地線必須連接到接地上。在連接產品的輸入或輸出端子前，要保證產品正確接地。
- 不要試圖使任何測試設備的電源線接地出現缺陷。
- 僅把探頭地線連接到接地上。
- 把示波器與沒有為這類操作專門設計和指定的接地上隔開，或把地線連接到接地之外的任何其它項目上，可能會導致示波器和探頭的連接器、控制設備或其它表面上出現危險電壓。
注意：
這適用於大多數示波器，但有些示波器是為在浮動應用中工作而設計的，如泰克THS700 系列電池供電的數字存儲示波器。正確連接和斷開探頭
- 先把探頭連接到示波器上。在把探頭連接到任何測試點之前，應使探頭正確接地。
- 探頭地線只應連接到接地上。
- 在從被測電路上斷開探頭時，先從電路中拔下探頭尖端，然後再斷開地線。
- 除探頭尖端和探頭連接器中心導線外，探頭上可以接觸的所有金屬 ( 包括接地夾) 都要連接到連接器外殼上。
避免暴露的電路
- 避免手或身體任何其它部位接觸暴露的電路或器件。
- 探頭尖端和地線夾的連接方式一定要保證其不會意外碰上或碰到被測電路的其它部分。
在處理探頭時避免RF 熔固
- 在存在 RF 功率時，共振和電抗效應可能會把小電壓轉換成可能有害的電壓或危險的電壓。
- 如果必需在存在 RF 熔固危險的區域中使用探頭，關閉信號源的電源，然後再連接或斷開探頭引線。在電路活動時，不要處理輸入引線。
不要在沒有保護蓋的情況下使用測量設備
- 在拆下任何保護蓋或保護外殼時，不應再使用示波器和探頭。拆下保護蓋、外殼、探頭機身或連接器外殼暴露出的導線或元器件可能會存在危險電壓。不要在潮溼的環境中使用測量設備
- 為避免觸電或損壞設備，不在要潮溼的環境中使用測量設備。
不要爆炸性的空氣中使用測量設備
- 在爆炸性的空氣中使用電氣或電子設備可能會導致發生爆炸。在使用或存放汽油、溶劑、乙醚、丙烷和其它揮發性物質時，可能會產生爆炸性的空氣。另外，懸浮在空氣中的某些細塵或粉末可能會產生爆炸性空氣。
不要在可能有問題時使用測量設備
- 如果懷疑示波器或探頭存在電子或物理問題，應由具有相應資質的人員檢查後，方能繼續使用。保持探頭表面清潔乾燥
- 探頭上的水汽、塵土和其它雜質會提供一條傳導路徑。為保證測量的安全和精度，應保持探頭表面清潔乾燥。
- 僅應使用探頭說明書規定的程序清潔探頭。不要把探頭浸入液體中
- 把探頭浸入液體中可能會在內部器件之間提供一條傳導路徑，或損壞或腐蝕內部器件或外部機殼和屏蔽。
- 僅應使用探頭說明書中規定的程序清潔探頭。
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