示波器探頭的主要作用是把被測(cè)的電壓信號(hào)從測(cè)量點(diǎn)引入示波器進(jìn)行測(cè)量。理想狀況下，示波器的探頭應(yīng)該對(duì)被測(cè)的信號(hào)沒(méi)有任何影響，但現(xiàn)實(shí)卻是它長(zhǎng)長(zhǎng)的連線不可避免地有著雜散電感、電容、以及電阻。因此，無(wú)論如何，它們都會(huì)影響到示波器對(duì)待測(cè)信號(hào)的解讀，尤其在非常高的頻率的時(shí)候。

探頭有多種，常用的是多數(shù)示波器自帶的無(wú)源（Passive）衰減探頭，它內(nèi)部有著大的電阻并聯(lián)一個(gè)很小的電容，以幫助減小探頭的長(zhǎng)電纜給待測(cè)電路帶來(lái)的負(fù)載效應(yīng)。這個(gè)內(nèi)部的高電阻同示波器輸入端的電阻串聯(lián)，對(duì)輸入信號(hào)構(gòu)成了分壓。 

多數(shù)的示波器探頭的內(nèi)部阻抗為9MΩ的電阻，它同示波器輸入端的標(biāo)準(zhǔn)的1MΩ的輸入電阻相連接，構(gòu)成了1/10的分壓，這種探頭被稱為10X衰減探頭。很多探頭都有一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以切換是10:1衰減（10X）還是不做衰減（1X）.

電流探頭

示波器電流探頭，顧名思義，使用這種探頭時(shí)示波器上顯示的是導(dǎo)體中的電流而不是其上的電壓。在這種探頭的頭上裝有一個(gè)電流感應(yīng)變壓器，使用時(shí)只要把探頭卡到電纜導(dǎo)線上而無(wú)需切斷電路，探頭獲得的信號(hào)首先變換成電壓，再經(jīng)過(guò)比例變換后送到示波器的端，這時(shí)示波器顯示的單位為A/格或mA/格。探頭的頻率范圍可達(dá)70MHz以上。

使用電流探頭以后，具有數(shù)學(xué)處理能力的示波器就可以通過(guò)將電壓波形和電流波形相乘來(lái)進(jìn)行功率的測(cè)量。還可以同時(shí)進(jìn)行AC/DC測(cè)量，不用切斷電路。負(fù)載很小。

在半導(dǎo)體上通以電流并把它放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)與電流的方向相垂直，則在磁場(chǎng)的作用下，載流子（電子或空穴）的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這樣，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上就會(huì)形成電荷積累，出現(xiàn)電勢(shì)差。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。利用霍耳效應(yīng)可以制成霍耳器件，還可以測(cè)量半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度和遷移率。

電流探頭可以提供更清晰的電流波形圖。它們消除了測(cè)量的不確定性和對(duì)復(fù)雜計(jì)算的需要，使測(cè)量、記錄和共享變得容易。根據(jù)其規(guī)格，電流探頭可以測(cè)量從非常低到非常高的任何電流。

示波器探頭分類

電流探頭原理

電流探頭是一種電測(cè)儀器，用于測(cè)量電路中的電流大小。它們往往很大，而且?guī)捰邢蓿?00 MHz）。它的原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)磁通量變化時(shí)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而測(cè)量電路中的電流值。

流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)在導(dǎo)線周圍形成電磁通量場(chǎng)， 而示波器電流探頭測(cè)量電子在導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)生成的磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)和實(shí)時(shí)示波器配合，得到對(duì)應(yīng)的電流波形。

示波器電流探頭在測(cè)試直流和低頻交流時(shí)，利用霍爾器件來(lái)檢測(cè)并利用霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量交直流混合的電流，隨著被測(cè)電流信號(hào)的頻率越來(lái)越高，霍爾效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，測(cè)量高頻的交流電流時(shí)，利用電流變壓器感應(yīng)交流電流。

霍爾器件檢測(cè)低頻成分，電流變壓器線圈檢測(cè)高頻成分，兩者合二為一，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。AC/DC電流探頭是利用霍爾器件來(lái)感應(yīng)直流電流和利用電流變壓器線圈感應(yīng)交流電流，從而完成AC和DC電流的探測(cè)。

利用示波器測(cè)電流需要用到電流探頭，常用的電流探頭是利用霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量電路周圍磁場(chǎng)的變化來(lái)得到電流信號(hào)。

示波器電流探頭圖片

總之，電流探頭的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和電磁感應(yīng)現(xiàn)象，利用磁場(chǎng)和電格子之間的互動(dòng)關(guān)系產(chǎn)生電壓信號(hào)，從而測(cè)量電路中的電流大小。在實(shí)際使用中，需要注意的是保證測(cè)量的精度、信號(hào)的干擾和信號(hào)失真等問(wèn)題。

什么是霍爾效應(yīng)？

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是由美國(guó)物理學(xué)家霍爾在1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，就像一條路， 本來(lái)大家是均勻的分布在路面上并往前移動(dòng)，當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)， 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走，因此在路(導(dǎo)體)的兩側(cè)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差，叫“霍爾效應(yīng)”。

誰(shuí)需要電流探頭?

主要客戶是研發(fā)、維修、服務(wù)和工程師/技術(shù)人員。 需要的應(yīng)用包括電源設(shè)計(jì)和測(cè)試、電流消耗分析和充電系統(tǒng)。

電流探頭的主要應(yīng)用

功率器件測(cè)試和表征

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和測(cè)試

電流損耗分析

高壓測(cè)試

電池充電系統(tǒng)

沖擊電流測(cè)試

新能源/混動(dòng) 模塊電流測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)模塊電流損耗 (N2820A/21A)

兩種測(cè)量直流電流方法

第一種是直接用電流探頭的方法。

是德科技提供多種電流探頭，既可以測(cè)試直流，也可以測(cè)試交流。如果要測(cè)量的精度比較高，可以在電流探頭的孔中多放幾圈流過(guò)電流的電線。還有一種是將電流轉(zhuǎn)換為電壓。需要在被測(cè)回路中安置一個(gè)較大的高精度電阻，用差分探頭測(cè)量電阻兩端的電壓，再轉(zhuǎn)換為電流進(jìn)行測(cè)量。

下面我們具體介紹一下使用示波器和電流探頭測(cè)量電流的技巧，并提高測(cè)量精度。

工程師在設(shè)計(jì)其他電池供電的設(shè)備時(shí)通常都需要進(jìn)行更靈敏的電流測(cè)量，以確保設(shè)備的電流消耗在可接受的范圍之內(nèi)。電流的測(cè)量過(guò)程非常麻煩，因?yàn)槟坏貌恢袛嚯娐凡y(cè)量?jī)x器與電路串聯(lián)起來(lái)。使用鉗式電流探頭和示波器可以輕松實(shí)施電流測(cè)量，并且不必破壞電路。但是對(duì)于毫安級(jí)或更小的電流，其測(cè)量難度大大增加。

今天我們將介紹了幾個(gè)非常實(shí)用的測(cè)量技巧，可以幫助您在示波器噪聲較高的應(yīng)用環(huán)境中精確測(cè)量電流。

示波器的噪聲影響很重要

隨著電流電平的下降，示波器本身具有的噪聲將變成一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。所有示波器都有一個(gè)多余的特征 — 垂直噪聲。當(dāng)您測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的噪聲可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際信號(hào)測(cè)量的精度下降。由于示波器是一種寬帶測(cè)量?jī)x器，所以示波器的帶寬越寬，垂直噪聲就越高。因此在測(cè)量之前，您需要仔細(xì)測(cè)試示波器的噪聲特征。500 MHz 帶寬示波器采用靈敏的 V/ 格 設(shè)置時(shí)，其本底噪聲一般約為 2 mV 峰峰值。在進(jìn)行低電平測(cè)量時(shí)，需要注意示波器上的采集存儲(chǔ)器可能會(huì)影響本底噪聲。在帶寬和其他條件都相同的情況下，采集存儲(chǔ)器越深，則噪聲就越大。另一方面，現(xiàn)代交流 /直流電流探頭 ( 如 Keysight N2783B 100 MHz 電流探頭 ) 能夠測(cè)量 5 mA 的交流或直流電流，測(cè)量精度大約為 3%。這種電流探頭的設(shè)計(jì)采用每安培電流輸入，電壓輸出 0.1 V。換句話說(shuō)，在測(cè)量 20 mA 以下的電流時(shí)，示波器自身的 2 mVpp 噪聲可能是最主要的噪聲來(lái)源。

那么，您如何才能有效地減少示波器的固有噪聲呢？

對(duì)于現(xiàn)代的數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，可以選擇的方法有很多：

1) 帶寬限制濾波器

大多數(shù)數(shù)字示波器均提供帶寬限制濾波器，這些濾波器能夠?yàn)V除輸入波形中的多余噪聲并降低噪聲帶寬，從而可以提高垂直分辨率。帶寬限制濾波器可以采用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)帶寬限制濾波器都能根據(jù)您的需要來(lái)啟用或禁用。

2) 高分辨率采集模式

大多數(shù)數(shù)字示波器在正常采集模式下可以提供 8 位的垂直分辨率。某些示波器在高分辨率模式下能夠提供更高的垂直分辨率，通?？蛇_(dá) 12 位，該模式可以降低垂直噪聲，提高垂直分辨率。通常，在應(yīng)用了較慢的時(shí)間 / 格設(shè)置時(shí)，在屏幕上捕獲到的數(shù)據(jù)點(diǎn)非常多，此時(shí)高分辨率模式具有很大的影響。由于高分辨率模式下的采集將對(duì)單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值，所以會(huì)降低采樣率和示波器的帶寬。

3) 平均模式

如果信號(hào)是周期性的或是直流信號(hào)，您可以使用平均模式來(lái)降低示波器的垂直噪聲。平均模式會(huì)多次采集周期性波形，并生成運(yùn)行平均值以降低隨機(jī)噪聲。高分辨率模式會(huì)降低信號(hào)的采樣率和帶寬，而正常平均模式卻不會(huì)。不過(guò)，平均模式會(huì)減緩波形更新速率，因?yàn)樗M(jìn)行多次采集來(lái)計(jì)算波形的平均值，然后才能在屏幕上畫出軌跡。當(dāng)您選擇大量平均值時(shí)，降噪效果比以上任何一種方法都要明顯。

圖 1. 有很多方法可以降低示波器的固有垂直噪聲。

如何提高電流探頭測(cè)量精度和靈敏度？- 電流探頭使用方法

現(xiàn)在您已了解如何使用以上任何一種技術(shù)來(lái)降低示波器的垂直噪聲，讓我們?cè)賮?lái)看一下如何提高電流探頭的精度和靈敏度。市場(chǎng)上的電流探頭有很多種。其中使用方便、性能出色的一種是鉗式交流 / 直流電流探頭，您可以用它夾住載流導(dǎo)體來(lái)測(cè)量交流或直流電流。Keysight N2780A 系列或 1147B 電流探頭就是這種探頭的典型代表。

通過(guò)消磁和直流偏置可以提高電流探頭的精度

通過(guò)在探頭上纏繞多圈被測(cè)導(dǎo)體可以提高探頭的靈敏度

使用電流探頭的技巧

1. 消除磁性 ( 去磁 / 消磁 )和直流偏置

要確保精確地測(cè)量低電平電流，您需要對(duì)磁芯進(jìn)行去磁以消除殘余磁性。就像消除 CRT 顯示器的多余磁場(chǎng)可以改善畫質(zhì)一樣，您可以通過(guò)對(duì)電流探頭進(jìn)行消磁或去磁來(lái)消除任何剩余磁性。如果在探頭核心被磁化的情況下進(jìn)行測(cè)量，那么就會(huì)產(chǎn)生和剩余磁性成正比的偏置電壓，從而誘發(fā)測(cè)量誤差。無(wú)論您何時(shí)要接通 / 斷開(kāi)探頭的電源開(kāi)關(guān)或者對(duì)其輸入過(guò)量電流時(shí)，去除探頭磁核的磁性都非常重要。為執(zhí)行探頭去磁 / 消磁，可以將探頭與所有導(dǎo)體斷開(kāi)，并確定探頭閉鎖，然后按下探頭 DEMAG( 或 DEGAUSS) 按鈕。

此外，您還可使用探頭上的調(diào)零控制按鈕來(lái)校正探頭的多余電壓偏置或溫度漂移。

2. 提高示波器探頭靈敏度

電流探頭可以測(cè)量流經(jīng)探頭鉗口的電流所生成的磁場(chǎng)。它會(huì)生成與輸入電流成正比的電壓輸出。如果您正在測(cè)量直流信號(hào)或小幅度的低頻交流信號(hào)，可以通過(guò)在探頭上纏繞多匝被測(cè)導(dǎo)體來(lái)提高測(cè)量靈敏度。此時(shí)信號(hào)的強(qiáng)度將按照被測(cè)導(dǎo)體在探頭上纏繞的匝數(shù)倍增。例如，如果一個(gè)導(dǎo)體在探頭上纏繞了 5 圈，而示波器顯示的讀數(shù)為 25 mA，那么實(shí)際的電流就是 25 mA 除以 5，即 5 mA。在本例中，您可以將電流探頭的靈敏度提高 5 倍。

使用鉗式電流探頭和示波器可以非常簡(jiǎn)便地測(cè)量電流，并且不必破壞電路。不過(guò)，當(dāng)您在測(cè)量結(jié)果中引入示波器的寬帶噪聲時(shí)，示波器的垂直噪聲可能會(huì)妨礙您進(jìn)行精確的低電平電流測(cè)量。通過(guò)本文中介紹的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量技巧，您可以消除示波器的隨機(jī)噪聲，以及電流探頭的多余磁性或直流偏置，從而顯著提高您的測(cè)量精度。

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