今天為您全面介紹一下使用示波器和電流探頭測量電流的技巧，并提高測量精度。

一、什么是探頭？

      示波器探頭是示波器外部的電路器件，其作用是從被測電路中探測信號，當(dāng)探頭接入被測電路后，探頭會成為測試電路的一部分，而探頭和示波器相連接，探頭又會成為示波器測量系統(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)行高頻信號測量的時(shí)候會使信號的頻率特性變差。示波器探頭的主要作用是把被測的電壓信號從測量點(diǎn)引入示波器進(jìn)行測量。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、示波器探頭分類以及各有什么特點(diǎn)？

       就示波器探頭的分類來說，可以按照探頭是否需要外供電，分為無源探頭和有源探頭兩大類。

（1）無源探頭

         無源探頭價(jià)格便宜、經(jīng)濟(jì)耐用，電壓等級高，動態(tài)范圍大，但是帶寬低（Keysight無源探頭MAX6個(gè)G，N2876A），滿足絕大多數(shù)低頻的應(yīng)用場合。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，對被測電路干擾小，費(fèi)用貴，動態(tài)范圍小，電壓低，不耐用。差分探頭有較高的共模抑制比，直接測量差分信號。

      高阻探頭輸入阻抗高，測量范圍大，帶寬都在1G以下 低阻無源探頭，又稱為傳輸線探頭。50歐傳輸線，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)線上而無需切斷電路，探頭獲得的信號首先變換成電壓，再經(jīng)過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將電壓波形和電流波形相乘來進(jìn)行功率的測量。在半導(dǎo)體上通以電流并把它放在磁場中，如果磁場與電流的方向相垂直，則在磁場的作用下，載流子（電子或空穴）的運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這樣，在垂直于電流和磁場的方向上就會形成電荷積累，出現(xiàn)電勢差。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，還可以測量半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、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)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這個(gè)現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，就像一條路， 本來大家是均勻的分布在路面上并往前移動，當(dāng)有磁場時(shí)， 大家可能會被推到靠路的右邊行走，因此在路(導(dǎo)體)的兩側(cè)，就會產(chǎn)生電壓差，叫“霍爾效應(yīng)"。利用示波器測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)測磁場，通過測量電路周圍磁場的變化來得到電流信號。

      電流探頭用于測量流經(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)線的電流會在導(dǎo)線周圍形成電磁通量場， 而示波器電流探頭測量電子在導(dǎo)線內(nèi)運(yùn)動時(shí)生成的磁場，通過檢測磁場的變化，把磁場轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，通過和實(shí)時(shí)示波器配合，得到對應(yīng)的電流波形。

      示波器電流探頭在測試直流和低頻交流時(shí)，利用霍爾器件來檢測并利用霍爾效應(yīng)來測量交直流混合的電流，隨著被測電流信號的頻率越來越高，霍爾效應(yīng)會逐漸減弱，測量高頻的交流電流時(shí)，利用電流變壓器感應(yīng)交流電流。

      霍爾器件檢測低頻成分，電流變壓器線圈檢測高頻成分，兩者合二為一，滿足不同的應(yīng)用場合。AC/DC電流探頭是利用霍爾器件來感應(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。

三、示波器探頭如何測量電流?

1、測量兩點(diǎn)之間的電壓差是很容易的-“接"進(jìn)兩個(gè)信號(或一個(gè)信號和地)并測量差值.

2、 測量電流是不同的——你是在測量通過電線的電流.

3、一種方法是在電路中添加一些東西（比如電阻）來測量它——但這需要測量設(shè)備一直在那里.

4、利用電磁學(xué)定律，你可以通過感應(yīng)導(dǎo)線周圍的電場來測量通過導(dǎo)線的電流。這是一種“鉗式"電流探頭，也是較常見的.

（1）電流探頭的主要應(yīng)用

1、功率器件測試和表征
2、開關(guān)電源設(shè)計(jì)和測試
3、電流損耗分析
4、高壓測試
5、電池充電系統(tǒng)
7、沖擊電流測試
8、新能源/混動 模塊電流測試
9、物聯(lián)網(wǎng)模塊電流損耗

（2）電源完整性測試需求

1、更高密度和更高頻率的驅(qū)動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-電話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)。電流的測量過程非常麻煩，因?yàn)槟坏貌恢袛嚯娐凡y量儀器與電路串聯(lián)起來。使用鉗式電流探頭和示波器可以輕松實(shí)施電流測量，并且不必破壞電路。但是對于毫安級或更小的電流，其測量難度大大增加。

       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)問題。所有示波器都有一個(gè)多余的特征 — 垂直噪聲。當(dāng)您測量低電平信號時(shí)，測量系統(tǒng)的噪聲可能會導(dǎo)致實(shí)際信號測量的精度下降。由于示波器是一種寬帶測量儀器，所以示波器的帶寬越寬，垂直噪聲就越高。因此在測量之前，您需要仔細(xì)測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)行低電平測量時(shí)，需要注意示波器上的采集存儲器可能會影響本底噪聲。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 ) 能夠測量 5 mA 的交流或直流電流，測量精度大約為 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，在測量 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源。

       那么，您如何才能MAX程度地減少示波器的固有噪聲呢？對于現(xiàn)代的數(shù)字示波器來說，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單個(gè)觸發(fā)點(diǎn)相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值，所以會降低采樣率和示波器的帶寬。

3、平均模式

如果信號是周期性的或是直流信號，您可以使用平均模式來降低示波器的垂直噪聲。平均模式會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。高分辨率模式會降低信號的采樣率和帶寬，而正常平均模式卻不會。不過，平均模式會減緩波形更新速率，因?yàn)樗M(jìn)行多次采集來計(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。

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)來降低示波器的垂直噪聲，讓我們再來看一下如何提高電流探頭的精度和靈敏度。市場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)體來測量交流或直流電流。

通過消磁和直流偏置可以提高電流探頭的精度

通過在探頭上纏繞多圈被測導(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)地測量低電平電流，您需要對磁芯進(jìn)行去磁以消除殘余磁性。就像消除 CRT 顯示器的多余磁場可以改善畫質(zhì)一樣，您可以通過對電流探頭進(jìn)行消磁或去磁來消除任何剩余磁性。如果在探頭核心被磁化的情況下進(jìn)行測量，那么就會產(chǎn)生和剩余磁性成正比的偏置電壓，從而誘發(fā)測量誤差。無論您何時(shí)要接通 / 斷開探頭的電源開關(guān)或者對其輸入過量電流時(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，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

        電流探頭可以測量流經(jīng)探頭鉗口的電流所生成的磁場。它會生成與輸入電流成正比的電壓輸出。如果您正在測量直流信號或小幅度的低頻交流信號，可以通過在探頭上纏繞多匝被測導(dǎo)體來提高測量靈敏度。此時(shí)信號的強(qiáng)度將按照被測導(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便地測量電流，并且不必破壞電路。不過，當(dāng)您在測量結(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妨礙您進(jìn)行精準(zhǔn)的低電平電流測量。通過應(yīng)用本文中介紹的一個(gè)或多個(gè)測量技巧，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量精度。