近年來(lái)，工程師在設(shè)計(jì)移動(dòng)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(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。本文介紹了幾個(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)量小電流。

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 帶寬示波器采用最靈敏的 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，您如何才能最大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。

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。其中使用最方便、性能最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。

圖 2. 通過(guò)消磁和直流偏置可以提高電流探頭的精度

圖 3. 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

使用此類電流探頭有兩個(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 / 斷開探

頭的電源開關(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，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。

結(jié)論

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)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。

審核編輯：湯梓紅