低功率測量技術(shù)——三大實(shí)用小貼士　

當今智能手機最重要的特色并不是那些華而不實(shí)的功能，而是基礎得多的特性：電池能用多長(cháng)時(shí)間?遺憾的是，電池技術(shù)跟不上工程師們的步伐，他們創(chuàng )造出擁有多塊大功率多核處理器和多個(gè)無(wú)線(xiàn)電的掌上電腦。在服務(wù)器一側，即使能耗的一點(diǎn)點(diǎn)下降，也會(huì )給為云提供動(dòng)力的海量運行中心帶來(lái)諸多好處(而云已經(jīng)成為當今互聯(lián)網(wǎng)的代名詞)。

環(huán)顧四周，降低能耗幾乎一直是重要的設計目標。這意味著(zhù)工程師和技術(shù)人員需要精通低功率測量。雖然這些測量不太難，但獲得一致的結果卻要求很好地了解測量工具，在本例中，測量工具包括示波器及電壓探頭和電流探頭。

下面幾個(gè)截圖顯示了使用示波器評估能耗。上圖是LCD監視器在待機模式下的能耗;下圖是手機充電時(shí)充電器的能耗。通過(guò)使用良好的測量技術(shù)及基于示波器的電源分析應用，可以簡(jiǎn)便地完成此類(lèi)測量。在本文中，我將介紹部分最重要的技術(shù)。

LCD監視器在待機模式下的電源質(zhì)量

手機充電時(shí)充電器的電源質(zhì)量

電壓探測小提示

好的測量都有好的根源 – 探頭。由于電壓測量是差分測量，因此首選的微伏級測量探頭是有源差分探頭。這將提供最好的測量質(zhì)量和易用性。對微伏級差分電壓測量，差分前置放大器可能也必不可少。盡管可以使用一對無(wú)源探頭，如下圖中上面小圖所示，但只有在探頭和示波器通道匹配得非常好(增益、偏置、延遲和頻響)時(shí)，這種方法才能提供良好的測量結果。對大多數低功率測量來(lái)說(shuō)，有源差分探頭才是可行的方案。

可以使用兩只無(wú)源探頭(上圖)及示波器數學(xué)運算(下圖)

測量差分信號，最好使用一只差分探頭。

在探頭選型上，應考慮探頭阻抗或負載對被測電路的影響。為得到良好的測量精度，探頭的輸入阻抗應遠遠高于電路在關(guān)心的最高頻率上的阻抗。

對小信號來(lái)說(shuō)，另一個(gè)重要考慮因素是探頭衰減。您的目標應該是使用的探頭衰減不超過(guò)把信號幅度與示波器輸入動(dòng)態(tài)范圍精確匹配所需的水平。典型的“10X”無(wú)源探頭的衰減系數是10，也就是說(shuō)，只有1/10的輸入信號幅度被應用到示波器中。盡管探頭衰減擴大了測量系統的最大電壓范圍，但它有一個(gè)負面影響，會(huì )降低信噪比。

電流探測小貼士

使用AC/DC電流探頭可以最準確、最簡(jiǎn)便地完成電流測量，這些探頭推薦用于低功率應用。AC/DC電流探頭使用變壓器測量AC電流，使用霍爾效應器件測量DC電流。

使用電流探頭的第一步是把頭部連接在傳送電流的導體周?chē)?，這既可以通過(guò)增加線(xiàn)環(huán)實(shí)現，也可以根據產(chǎn)品測試設計要求增加電流探頭接入實(shí)現。

最可能的情況是，您將在導體和電流探頭機身之間及在電流探頭機身和接地之間，遇到寄生電容?？焖俎D換速率的電壓信號會(huì )以電容方式耦合到探頭機身中。這意味著(zhù)您應該探測最低阻抗節點(diǎn)，使到接地的電容耦合的負載效應達到最小。此外，探測電路的接地一側將使信號的轉換速率(dV/dt)達到最小，推動(dòng)寄生電容。

與電壓探頭一樣，電流探頭中的衰減不要超過(guò)把信號幅度與示波器輸入動(dòng)態(tài)范圍匹配所需的水平。

通過(guò)在電流探頭上纏幾圈導體，如下圖所示，可以改善測量靈敏度。這是因為電流探頭對流經(jīng)探頭的總電流作出響應，但這有局限性。在探頭上多纏幾圈導體會(huì )提高插入阻抗，降低帶寬上限。

在電流探頭上纏N圈導體，可以提高電流靈敏度。

最后，為了降低探頭對放射噪聲的靈敏度，試著(zhù)從電流探頭的接地連線(xiàn)到電路接地，接上一條探頭地線(xiàn)。這可以提高從探頭頭部到接地的寄生電容，但應該使探頭的內部屏蔽更加有效。

示波器設置小貼士

準確的測量總是離不開(kāi)經(jīng)過(guò)校準的示波器。示波器至少要預熱20分鐘，達到穩定的內部溫度。絕大部分短期誤差是由放大器隨時(shí)間和溫度漂移引起的。

與電壓探測和電流探測一樣，應優(yōu)化所有信號的動(dòng)態(tài)范圍。調節垂直標度控件，以便信號在垂直方向填滿(mǎn)大部分顯示屏，但要確保峰值不要擴展到顯示屏的頂部或底部以外的區域。這種調節采用最低的所需衰減設置，以?xún)?yōu)化SNR。

應校正探頭相差。每只探頭都有不同的傳播延遲，差異可能會(huì )非常大，特別是在比較電壓探頭和電流探頭時(shí)。由于瞬時(shí)功率是電壓波形和電流波形逐個(gè)樣點(diǎn)計算得出的，因此必須確保電壓波形和電流實(shí)現精確的時(shí)間(相位)匹配。相差校正過(guò)程把示波器輸入的信號時(shí)間對準，幫助保證計算得出的功率波形代表著(zhù)電路真實(shí)的瞬時(shí)功率。

隨著(zhù)能耗成為許多設備和系統設計的核心因素，確保設計滿(mǎn)足或超過(guò)目標的能力是一種關(guān)鍵功能。這里介紹的優(yōu)秀測量技術(shù)將幫助您簡(jiǎn)便準確地進(jìn)行低功率測量。低功率測量是否進(jìn)入了您的日程安排?