今天為您全面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。
一、什么是探頭？
示波器探頭是示波器外部的電路器件，其作用是從被測(cè)電路中探測(cè)信號(hào)，當(dāng)探頭接入被測(cè)電路后，探頭會(huì)成為測(cè)試電路的一部分，而探頭和示波器相連接，探頭又會(huì)成為示波器測(cè)量系統(tǒng)的一部分。所以探頭的電路設(shè)計(jì)非常重要。由于探頭中存在分布電容和分布電感，尤其在進(jìn)行高頻信號(hào)測(cè)量的時(shí)候會(huì)使信號(hào)的頻率特性變差。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。選擇探頭的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：衰減比, 帶寬, 輸入電阻, 輸入電容, MAX輸入電壓, 探頭補(bǔ)償范圍, 探頭接口和觸針外形。
二、示波器探頭分類(lèi)以及各有什么特點(diǎn)？
就示波器探頭的分類(lèi)來(lái)說(shuō)，可以按照探頭是否需要外供電，分為無(wú)源探頭和有源探頭兩大類(lèi)。
（1）無(wú)源探頭
無(wú)源探頭價(jià)格便宜、經(jīng)濟(jì)耐用，電壓等級(jí)高，動(dòng)態(tài)范圍大，但是帶寬低（Keysight無(wú)源探頭MAX6個(gè)G，N2876A），滿(mǎn)足絕大多數(shù)低頻的應(yīng)用場(chǎng)合。該系列的探頭包括：低阻分壓探頭、帶補(bǔ)償?shù)母咦璺謮禾筋^和高壓探頭等。
（2）有源探頭
有源探頭（需要供電有前端放大器）：高帶寬，對(duì)被測(cè)電路干擾小，費(fèi)用貴，動(dòng)態(tài)范圍小，電壓低，不耐用。差分探頭有較高的共模抑制比，直接測(cè)量差分信號(hào)。
高阻探頭輸入阻抗高，測(cè)量范圍大，帶寬都在1G以下 低阻無(wú)源探頭，又稱(chēng)為傳輸線(xiàn)探頭。50歐傳輸線(xiàn)，帶寬較高，但輸入阻抗不高。有源探頭帶寬高輸入阻抗也高。
（3）什么是電流探頭？
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(xiàn)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。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(chēng)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(lèi)型、載流子濃度和遷移率。
（4）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)"。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?chē)艌?chǎng)的變化來(lái)得到電流信號(hào)。
電流探頭用于測(cè)量流經(jīng)電路的電流。它們往往很大，而且?guī)捰邢蓿?00 MHz）。
（5）示波器電流探頭工作原理
流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的電流會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)纬呻姶磐繄?chǎng)， 而示波器電流探頭測(cè)量電子在導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)圈檢測(cè)高頻成分，兩者合二為一，滿(mǎn)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(xiàn)圈感應(yīng)交流電流，從而完成AC和DC電流的探測(cè)。
三、示波器探頭如何測(cè)量電流?
1、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電壓差是很容易的-“接"進(jìn)兩個(gè)信號(hào)(或一個(gè)信號(hào)和地)并測(cè)量差值.
2、 測(cè)量電流是不同的——你是在測(cè)量通過(guò)電線(xiàn)的電流.
3、一種方法是在電路中添加一些東西（比如電阻）來(lái)測(cè)量它——但這需要測(cè)量設(shè)備一直在那里.
4、利用電磁學(xué)定律，你可以通過(guò)感應(yīng)導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾妶?chǎng)來(lái)測(cè)量通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流。這是一種“鉗式"電流探頭，也是較常見(jiàn)的.
（1）電流探頭的主要應(yīng)用
1、功率器件測(cè)試和表征
2、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)和測(cè)試
3、電流損耗分析
4、高壓測(cè)試
5、電池充電系統(tǒng)
7、沖擊電流測(cè)試
8、新能源/混動(dòng) 模塊電流測(cè)試
9、物聯(lián)網(wǎng)模塊電流損耗
（2）電源完整性測(cè)試需求
1、更高密度和更高頻率的驅(qū)動(dòng)芯片需要更低的電源電壓
2、電源軌誤差的要求更高了(from +/- 5% down to +/- 1%)
3、在低電壓上的紋波，噪聲和瞬變電壓跟容易影響時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸
工程師在設(shè)計(jì)移動(dòng)-電話(huà)和其他電池供電的設(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)境中精準(zhǔn)測(cè)量電流。
四、如何才能MAX程度地減少示波器的固有噪聲？
（1）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 帶寬示波器采用較靈敏的 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(huà)說(shuō)，在測(cè)量 20 mA 以下的電流時(shí)，示波器自身的 2 mVpp 噪聲可能是較主要的噪聲來(lái)源。
那么，您如何才能MAX程度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(huà)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。
有很多方法可以降低示波器的固有垂直噪聲
（2）提高電流探頭測(cè)量精度和靈敏度
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。其中使用較方便、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。
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
五、使用電流探頭有兩個(gè)很有用的技巧
（1） 消除磁性 ( 去磁 / 消磁 )和直流偏置
要確保精準(zhǔn)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(huà)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)行精準(zhǔn)的低電平電流測(cè)量。通過(guò)應(yīng)用本文中介紹的一個(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。
