【技术】示波器电流探头工作原理以及电流测量技巧

今天是德科技为您全面介绍一下使用示波器和电流探头测量电流的技巧，并提高测量精度。

什么是探头？

示波器探头是示波器外部的电路器件，其作用是从被测电路中探测信号，当探头接入被测电路后，探头会成为测试电路的一部分，而探头和示波器相连接，探头又会成为示波器测量系统的一部分。

所以探头的电路设计非常重要。由于探头中存在分布电容和分布电感，尤其在进行高频信号测量的时候会使信号的频率特性变差。

示波器探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引入示波器进行测量。选择探头的关键数据：衰减比，带宽，输入电阻，输入电容，最大输入电压，探头补偿范围，探头接口和触针外形。

示波器探头分类以及各有什么特点？

就示波器探头的分类来说，可以按照探头是否需要外供电，分为无源探头和有源探头两大类。

无源探头

无源探头价格便宜、经济耐用，电压等级高，动态范围大，但是带宽低（KEYSIGHT无源探头最大6个G，N2876A），满足绝大多数低频的应用场合。

该系列的探头包括：低阻分压探头、带补偿的高阻分压探头和高压探头等。

示波器无源探头图片

有源探头

有源探头（需要供电有前端放大器）：高带宽，对被测电路干扰小，费用贵，动态范围小，电压低，不耐用。差分探头有较高的共模抑制比，直接测量差分信号前端为差分放大器。

高阻探头输入阻抗高，测量范围大，带宽都在1G以下低阻无缘探头，又称为传输线探头。50欧传输线，带宽较高，但输入阻抗不高。有源探头带宽高输入阻抗也高。

示波器探头分类

什么是电流探头？

顾名思义，使用这种探头时示波器上显示的是导体中的电流而不是其上的电压。在这种探头的头上装有一个电流感应变压器，使用时只要把探头卡到电缆导线上而无需切断电路，探头获得的信号首先变换成电压，再经过比例变换后送到示波器的端，这时示波器显示的单位为A/格或mA/格。探头的频率范围可达70MHz以上。

使用电流探头以后，具有数学处理能力的示波器就可以通过将电压波形和电流波形相乘来进行功率的测量。

在半导体上通以电流并把它放在磁场中，如果磁场与电流的方向相垂直，则在磁场的作用下，载流子（电子或空穴）的运动方向发生偏转。这样，在垂直于电流和磁场的方向上就会形成电荷积累，出现电势差。这一现象称为霍耳效应。利用霍耳效应可以制成霍耳器件，还可以测量半导体材料的导电类型、载流子浓度和迁移率。

什么是霍尔效应？

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是由美国物理学家霍尔在1879年在研究金属的导电机制时发现的，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这个现象就是霍尔效应，就像一条路，本来大家是均匀的分布在路面上并往前移动，当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走，因此在路(导体)的两侧，就会产生电压差，叫“霍尔效应”。利用示波器测电流需要用到电流探头，常用的电流探头是利用霍尔效应测磁场，通过测量电路周围磁场的变化来得到电流信号。

电流探头用于测量流经电路的电流。它们往往很大，而且带宽有限（100MHz）。

示波器电流探头图片

示波器电流探头工作原理

流经导线的电流会在导线周围形成电磁通量场，而示波器电流探头测量电子在导线内运动时生成的磁场，通过检测磁场的变化，把磁场转换成相应的电压信号，通过和实时示波器配合，得到对应的电流波形。

示波器电流探头在测试直流和低频交流时，利用霍尔器件来检测并利用霍尔效应来测量交直流混合的电流，随着被测电流信号的频率越来越高，霍尔效应会逐渐减弱，测量高频的交流电流时，利用电流变压器感应交流电流。

霍尔器件检测低频成分，电流变压器线圈检测高频成分，两者合二为一，满足不同的应用场合。AC/DC电流探头是利用霍尔器件来感应直流电流和利用电流变压器线圈感应交流电流，从而完成AC和DC电流的探测。

推荐阅读：示波器探测需要避免的七大常见陷阱

“了解常见的探测错误对于实现精确测量至关重要。探头可能会将负载、噪声和抖动带入系统。探头的电气特性不仅会显著影响测量结果，还有可能影响到器件的工作。通过本电子书了解如何避免常见的示波器探测误区。”

示波器探头如何测量电流?

• 测量两点之间的电压差是很容易的-“接”进两个信号(或一个信号和地)并测量差值.

• 测量电流是不同的——你是在测量通过电线的电流.

• 一种方法是在电路中添加一些东西（比如电阻）来测量它——但这需要测量设备一直在那里.

• 利用电磁学定律，你可以通过感应导线周围的电场来测量通过导线的电流。这是一种“钳式”电流探头，也是最常见的.

电流探头的主要应用

• 功率器件测试和表征

• 开关电源设计和测试

• 电流损耗分析

• 高压测试

• 电池充电系统

• 冲击电流测试

• 新能源/混动模块电流测试

• 物联网模块电流损耗

电源完整性测试需求

• 更高密度和更高频率的驱动芯片需要更低的电源电压

• 电源轨误差的要求更高了(from+/-5% down to +/-1%)

• 在低电压上的纹波，噪声和瞬变电压跟容易影响时钟和数据传输

工程师在设计移动电话和其他电池供电的设备时通常都需要进行更灵敏的电流测量，以确保设备的电流消耗在可接受的范围之内。电流的测量过程非常麻烦，因为您不得不中断电路并将测量仪器与电路串联起来。使用钳式电流探头和示波器可以轻松实施电流测量，并且不必破坏电路。但是对于毫安级或更小的电流，其测量难度大大增加。

今天我们将介绍了几个非常实用的测量技巧，可以帮助您在示波器噪声较高的应用环境中精确测量电流。

如何才能最大程度地减少示波器的固有噪声？

示波器的噪声影响很重要

随着电流电平的下降，示波器本身具有的噪声将变成一个现实问题。所有示波器都有一个多余的特征—垂直噪声。当您测量低电平信号时，测量系统的噪声可能会导致实际信号测量的精度下降。由于示波器是一种宽带测量仪器，所以示波器的带宽越宽，垂直噪声就越高。因此在测量之前，您需要仔细测试示波器的噪声特征。500MHz带宽示波器采用最灵敏的V/格设置时，其本底噪声一般约为2mV峰峰值。在进行低电平测量时，需要注意示波器上的采集存储器可能会影响本底噪声。在带宽和其他条件都相同的情况下，采集存储器越深，则噪声就越大。另一方面，现代交流/直流电流探头(如Keysight N2783B 100 MHz电流探头)能够测量5mA的交流或直流电流，测量精度大约为3%。这种电流探头的设计采用每安培电流输入，电压输出0.1V。换句话说，在测量20mA以下的电流时，示波器自身的2mVpp噪声可能是最主要的噪声来源。

那么，您如何才能最大程度地减少示波器的固有噪声呢？对于现代的数字示波器来说，可以选择的方法有很多：

1)带宽限制滤波器
大多数数字示波器均提供带宽限制滤波器，这些滤波器能够滤除输入波形中的多余噪声并降低噪声带宽，从而可以提高垂直分辨率。带宽限制滤波器可以采用硬件实现，也可以采用软件来实现。大多数带宽限制滤波器都能根据您的需要来启用或禁用。

2)高分辨率采集模式
大多数数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够提供更高的垂直分辨率，通常可达 12位，该模式可以降低垂直噪声，提高垂直分辨率。通常，在应用了较慢的时间/格设置时，在屏幕上捕获到的数据点非常多，此时高分辨率模式具有很大的影响。由于高分辨率模式下的采集将对单个触发点相邻的数据点取平均值，所以会降低采样率和示波器的带宽。

3)平均模式
如果信号是周期性的或是直流信号，您可以使用平均模式来降低示波器的垂直噪声。平均模式会多次采集周期性波形，并生成运行平均值以降低随机噪声。高分辨率模式会降低信号的采样率和带宽，而正常平均模式却不会。不过，平均模式会减缓波形更新速率，因为它要进行多次采集来计算波形的平均值，然后才能在屏幕上画出轨迹。当您选择大量平均值时，降噪效果比以上任何一种方法都要明显。

提高电流探头测量精度和灵敏度

现在您已了解如何使用以上任何一种技术来降低示波器的垂直噪声，让我们再来看一下如何提高电流探头的精度和灵敏度。市场上的电流探头有很多种。其中使用最方便、性能最出色的一种是钳式交流/直流电流探头，您可以用它夹住载流导体来测量交流或直流电流。Keysight N2780A系列或1147B电流探头就是这种探头的典型代表。

图 2. 通过消磁和直流偏置可以提高电流探头的精度

图 3. 通过在探头上缠绕多圈被测导体可以提高探头的灵敏度

使用此类电流探头有两个很有用的技巧：

1.消除磁性(去磁/消磁)和直流偏置

要确保精确地测量低电平电流，您需要对磁芯进行去磁以消除残余磁性。就像消除CRT显示器的多余磁场可以改善画质一样，您可以通过对电流探头进行消磁或去磁来消除任何剩余磁性。如果在探头核心被磁化的情况下进行测量，那么就会产生和剩余磁性成正比的偏置电压，从而诱发测量误差。无论您何时要接通/断开探头的电源开关或者对其输入过量电流时，去除探头磁核的磁性都非常重要。为执行探头去磁/消磁，可以将探头与所有导体断开，并确定探头闭锁，然后按下探头DEMAG(或DEGAUSS)按钮。

此外，您还可使用探头上的调零控制按钮来校正探头的多余电压偏置或温度漂移。

2.提高示波器探头灵敏度

电流探头可以测量流经探头钳口的电流所生成的磁场。它会生成与输入电流成正比的电压输出。如果您正在测量直流信号或小幅度的低频交流信号，可以通过在探头上缠绕多匝被测导体来提高测量灵敏度。此时信号的强度将按照被测导体在探头上缠绕的匝数倍增。例如，如果一个导体在探头上缠绕了5圈，而示波器显示的读数为25mA，那么实际的电流就是25mA除以5，即5mA。在本例中，您可以将电流探头的灵敏度提高5倍。

使用钳式电流探头和示波器可以非常简便地测量电流，并且不必破坏电路。不过，当您在测量结果中引入示波器的宽带噪声时，示波器的垂直噪声可能会妨碍您进行精确的低电平电流测量。通过应用本文中介绍的一个或多个测量技巧，您可以消除示波器的随机噪声，以及电流探头的多余磁性或直流偏置，从而显著提高您的测量精度。

电流探头能测试的最小电流是多少？

Answer：插入电阻式电流探头可以测试到μA级别。

点击阅读：N2820A高灵敏度交流/直流电流探头（2通道），3MHz，50μA

可使用N2820A/N2821A电流探头，配合N2840A的测试头（100m ohm引入电阻），能最小达到50μA的电流测试范围：

推荐阅读：如何使用极限温度有源探头做可靠的温度箱测试？

“许多工程师需要验证他们的产品在不同工作温度条件下的性能。迄今为止，极限温度测试要求工程师在非指定温度范围内使用探头，从而会损坏探头。无论是有源还是无缘探头，大部分探头具有指定的工作温度范围，从0℃~50℃。新型Keysight N2797A极限温度有源探头可在更宽泛的温度范围（-40℃至85℃）内工作，且不会受损。工程师能够在温度舱内使用探头和探测附件，探头适配夹和示波器位于温度舱外。”