在之前的Po文中( [Arduino] Arduino開發板 - 外接LED電壓電流量測 )，已經採用直接又簡單的方式量測了Arduino開發板外接LED的電壓及電流變化。

有沒有辦法量得更好，更準確?

答案是肯定的!

以下本文將一步步展示如何處理。

原廠技術支援文件

原廠的技術支援文件"Tips for Making Low Current Measurements with an Oscilloscope and Current Probe - Application Note"中，有提到

勾表式電流急急棒儘管有著方便使用，不需要破壞電路及可量測電流的優勢，但雜訊卻是其在小電流量測上的罩門。

以下將討論一些方式來提高量測精確度。

(以下內容僅是獻慶消化原廠技術支援文件後的重點節錄。若要看完整資料，請上官網，或參考下面的文件截圖)

1. Scope noise matters

當量測的電流越來越小時，示波器的背景垂直雜訊會影響訊號，影響量測精確度。

示波器是寬帶的量測儀器，當帶寬(bandwidth)越高時，垂直雜訊也跟著提高。

要審慎評估雜訊。對一個帶寬500-MHz的示波器而言，其最敏感的V/div為Vpp = 2 mV (peak to peak voltage)。

要注意在低階量測(low-level measurements)時，aquisition memory會影響雜訊大小。一個較深的aquisition memory會產生更多的雜訊。

PS: 這點看起來跟一般人的常識相反。一般而言，對電腦的記憶體越大，效能越好。怎麼我加大示波器的記憶體，反而雜訊增加?

另外，現代的AC/DC電流急急棒(例如: Keysight N2783A 100-MHz可量測到5 mA的AC/DC電流)

此電流急急棒設計為，每安培的電流對應為0.1伏特的電壓(0.1 V/A)。換句話說，當量測電流小於20 mA時，示波器的Vpp = 2 mV雜訊將嚴重干擾量測。

算給你看:

當量測電流小於20 mA時，換算成量測到的電流為2 mV

Vm = 20 mA * 0.1 V/A = 0.02 A * 0.1 V/A = 0.002 V = 2 mV

量測到的電流為2 mV，而雜訊也是2 mV，那就是說雜訊造成的量測誤差值已經來到100%，那到底量到的是雜訊還是訊號? 果然干擾很嚴重。

要如何最小化示波器雜訊，有以下幾個方法。

1.1. Bandwidth limit filter

大多數示波器都有bandwidth limit filter，可藉由降低雜訊的帶寬，來增強訊號的垂直解析度

1.2. High-resolution acquisition mode

大多數示波器，在normal acquisition mode下，提供8 bits的垂直解析度。而高解析模式在某些示波器則提供更高解析度，一般可達到12 bits。這樣降低了垂直雜訊，同時也增加了垂直解析度。

一般而言，高解析模式在慢的time/div設定下有較好的效果，也就是造成螢幕上捕捉的數據點較多。

由於高解析模式平均了trigger附近的數據點，這就降低了取樣率還有示波器的帶寬。

1.3. Averaging mode

當訊號為週期性或是DC訊號，將可使用平均模式(Averaging mode)來降低示波器的垂直雜訊。

平均模式對週期波採取多重取樣(multiple acquisitions)，取得滾動式平均(running average)來降低隨機雜訊。

高解析模式確實會降低取樣率以及訊號帶寬，但平均模式則不會。

然而，平均模式則妥協於波形的更新率，因其對週期波採取多重取樣所致

當選用的平均數量大的時候，平均模式可達到比其他方式的效果更好的雜訊抑制效果。

2. Improving current probe measurement accuracy and sensitivity

讓我們來看看如何增強電流急急棒的精確度和敏感度。

市場上有幾種不同形式的電流急急棒，勾表式的AC/DC電流探棒是最方便也是表現最好的。以下以Keysight N2780A系列或1147B電流急急棒來舉例。

2.1. Remove magnetism (demagnetize/degauss) and DC offset

這節獻慶簡單講，總之就是講磁場對霍爾元件的影響。簡單說，想要有準確的數值，就必須要消除背景磁場。

量測低電流時，要移除外部磁場干擾。例如: 磁鐵、設備通電後的磁場、地磁等。

可以按探棒上的DEMAG按鍵 (或者是DEGAUSS按鍵)來消除背景磁場帶來的影響。此動作稱為demagnetization或是degauss。

探棒上的ZERO調整鈕，可以用來調整探棒因電壓平移或溫度飄移所造成的干擾。一種飄掉多少，調回多少的概念。

2.2. Improve the probe sensitivity

當量測DC或者是低頻AC小振幅訊號時，可以透過捲繞導線的方式，來增強訊號。例如: 繞5圈，訊號就會增大為5倍，那讀數記得除以5就會回到實際值。

原廠支援文件截圖

這裡提供原廠支援文件"Tips for Making Low Current Measurements with an Oscilloscope and Current Probe - Application Note"的截圖供參考。

Tips for Making Low Current Measurements with an Oscilloscope and Current Probe - Application Note. Page 1.

Tips for Making Low Current Measurements with an Oscilloscope and Current Probe - Application Note. Page 2.

Tips for Making Low Current Measurements with an Oscilloscope and Current Probe - Application Note. Page 3.

實際測試

看完原廠技術支援文件後，當然還是要實測，才知道效果。

不一定一開始就要使用電流急急棒來測試，在雜訊處理的測試部分，可以先用電壓探棒來看看效果。反正電流急急棒的磁場訊號，最後也是轉換成電壓訊號進到示波器分析。

電壓探棒雜訊處理測試

背景電壓雜訊測試

示波器電壓背景雜訊量測，要先有背景值，才能進行後續比較。

本次使用的電壓探棒為Keysight Passive Probe N2841A。

探棒兩端有沒有互夾很重要。沒有互夾時(下圖(b))，雜訊會較大，大約76 mV，而且訊號會有很不穩定的跳動(下圖(a))。有互夾時(下圖(c))，雜訊會較小，大約10 mV，且訊號穩定(下圖(d))。

接下來的電壓探棒雜訊測試，都是在互夾的狀況下量測。

探棒兩端有沒有互夾很重要。

Keysight Passive Probe N2841A的基本電壓雜訊，Vpp=10 mV。

有了背景雜訊後

以下按照原廠建議的內容，來依序測試。

1. Bandwidth limit filter

"Bandwidth limit"可於使用者手冊第64頁查到。

Keysight 示波器，手冊。

To specify bandwidth limiting，於使用者手冊第64頁。

BW Limit開啟前，Vpp=10 mV。(請參考Keysight Passive Probe N2841A的基本電壓雜訊，Vpp=10 mV。)

BW Limit開啟後，Vpp=6 mV。與開啟前相比較，雜訊確實有變小。

BW開啟後，Vpp=6 mV。

2. High-resolution acquisition mode

High Res開啟前，Vpp=10 mV。(請參考Keysight Passive Probe N2841A的基本電壓雜訊，Vpp=10 mV。)

High Res開啟後，Vpp=6 mV。與開啟前相比較，雜訊確實有變小。

High Res開啟後，Vpp=6 mV。

3. Averaging mode

Averaging開啟前，Vpp=10 mV。(請參考Keysight Passive Probe N2841A的基本電壓雜訊，Vpp=10 mV。)

8x Averaging開啟後，Vpp=1.9 mV。與開啟前相比較，雜訊確實有明顯變小。

8x Averaging開啟後，Vpp=1.9 mV。

不同倍率的Averaging mode對雜訊的抑制也不同。一般而言，倍率越高，效果越好。但是由於要平均的數值越多，表示要截取求平均的數據量也變多，等待時間變長。

接下來，看看不同倍率的Averaging對雜訊的處理效果。確實，倍率越高，效果越好。但看起來倍率來到4096x後就趨近極限了。

不同倍率的Averaging對電壓雜訊的處理效果。

複合模式

這個技術支援文件沒有特別提，但沒說不能做。

事實上，處理雜訊的多種手段是可以"混用"。也就是同時使用多種手段。

BW Limit可與High Res一起用

BW Limit可與Averaging一起用

但High Res無法與Averaging一起用，只能二選一。

基本上可以看到如下表的混用效果。如文件所說，高倍率的Averaging對雜訊的處理能力比High Res好，而開啟了BW Limit則更能提升雜訊處理效果。

	BW Limit (無)	BW Limit (有)
High Res	6	5
8x Averaging	1.6	1.3
16x Averaging	1.1	1
32x Averaging	0.8	0.7

不同複合模式下的Vpp對照表，單位為mV。

一般而言，開啟BW Limit則更能提升雜訊處理效果，但對越高倍率的Averaging mode，效果越不明顯。如下圖所示。

(當然，如果換成差異百分比的話，那還是會看到明顯度。但是在此就不做過多的數據處理根討論了。)

不同倍率的Averaging對電壓雜訊的處理效果。沒開啟BW Limit用黑點表示。有開啟BW Limit用紅點表示。

電流探棒雜訊處理測試

有了電壓探棒雜訊處理的經驗後，我們可以進入到電流探棒的雜訊處理了。

背景電流雜訊測試

示波器電流背景雜訊量測，要先有背景值，才能進行後續比較。

本次使用的電流探棒為Keysight 1146B AC / DC Current Probe。

請使用100mV/A那個檔位，這樣在低電流的解析度較高。

基本雜訊由40~120 mA都有看到，而且量測值的跳動很激烈，不好抓值。

背景電流雜訊App=117 mA。

背景電流雜訊App=48 mA。

大致上感受完數據的跳動後

以下按照原廠建議的內容，來依序測試。