探棒負載(probe loading)
探棒負載是一個令人不安的真相:量測這個動作會改變你所量的東西。想像用一支又大又冷的溫度計去量一小杯湯的溫度:溫度計本身把湯冷卻了,於是你讀到的溫度,是因為你插了溫度計進去、湯才有的那個溫度。電表或示波器探棒在電學上做的是同一件事。你一把探棒碰到節點,探棒自己的電阻與電容就成了電路的一部分,而一個敏感的節點,會被推離它前一刻所擁有的值。
它透過兩條路徑作用。第一是電阻:每個電壓表與示波器輸入都有一個有限的輸入電阻,安靜地並聯在它所碰到的東西上。把 1 MΩ 的示波器輸入放在一個由 1 MΩ 源驅動的節點上,兩者組成一個分壓器、讓讀數減半——你量到真實電壓的 0.5 倍,可能下結論說電路壞了,其實它好好的。x10 探棒讓輸入變成 10 MΩ,於是同一個節點下沉不到 10%。第二是電容:即使只有幾皮法的探棒電容,也會與源電阻組成一個低通,把快速邊緣磨圓、偽裝成較慢的訊號。在高頻,這種電容性負載往往比電阻更要緊。
為何重要:最值得探的節點——高阻抗的運放輸入、振盪器的諧振槽、感測器輸出、閘極驅動——恰恰是最容易被擾動的那些,而一個「你不探就正常、一探就出問題」(或只在你探時才壞)的電路,正是經典症狀。防禦很簡單、值得養成習慣:優先用 x10 探棒以同時降低電阻性與電容性負載;接地線保持短以限制附加電感;而當讀數看起來不對時,誠實地先問是不是你自己的探棒造成的,再去怪設計。
一個高阻抗節點透過 100 kΩ 電阻驅動。碰上 x1 探棒(1 MΩ),分壓器 1 M/(100 k + 1 M) 讓讀數掉到真值的約 91%——光是探棒就造成 9% 誤差。切到 x10(10 MΩ),同一個節點讀到真值的約 99%。同樣的電路、誠實的讀數,只是換了支更好的探棒。
探棒加入了電路——電阻讓慢訊號減半、電容讓快訊號變圓。
如果電路在你接上探棒之前都正常,先懷疑探棒、再懷疑設計——你可能正在對一個脆弱的節點加負載。這在高阻抗點與高頻處最常見,那裡連幾皮法都要緊。