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如何选择示波器的探头?基础篇(2)

来源:深圳市乐买宜电子有限公司   2023年01月05日 15:46  
引 言 













示波器探头选择的基础篇,目录如下:

       探头种类

       电压探头规格

       示波器用电压探头

       无源探头

       有源探头

       电流测量







探头种类



不同的探头适用于不同的环境。选择最合适的探头是测量的第一步。

首先需要了解需要测量的信号。

电信号基本就是测量电压或电流,频率高或低、振幅多少、测量对象的输出电阻高或低、差分是否需要通过绝缘来测量等。 

理解了测量对象,就可以从种类丰富的探头中做出选择。

市场上有对应测量高电压、高速信号或用于多种场景的丰富的探头类型。

探头种类.png

对于电流探头,检查是否需要测量其频率范围、输入电流、直流?

对于电流探头,因其可以进行非接触式测量,所以不会对测量对象产生过大的影响。

我们着重看看电压探头如何选择——


电压探头



规格

选择电压探头时需要确认的4种规格:


频率范围   :由可测量的频率决定

输入电压范围 :可观测信号的最大电压+富余量(电涌等)

输入电阻   :对测量对象产生的直流电负载

输入电容   :对测量对象产生的交流(高频)电负载


参考如上规格选择最合适的探头。

输入电阻过低会产生直流负载,会影响到电路的偏压。

输入电容过大会影响高速信号的上升等。


主要用途

以上为《基础篇(1)》的衔接


有源探头





有源探头的探头内部前端安装有半导体元件。

无源探头:信号通过数米长的电缆被输入到示波器的半导体元件中。

有源探头:信号衰减后,直接输入到探头内部前端的半导体元件。该半导体元件可缓冲大容量电缆电容,因此可极大地减小输入电容,减小对上述测量对象的影响。有源探头可抑制探头的负载效应对测量对象产生的影响,非常适合在高电阻、高频率的环境下进行测量。

下图是差分探头的结构:



  1. 去掉共模电压,可抽取出差分信号,用于 CAN、LVDS、高速串行通信等差分信号测量;

  2. 将示波器与测量对象的GND分离,用于配电电源电路等浮动电路或电路GND电阻较高的场合。


电流探头和

电流测量方法





我们简要介绍一下适用范围广的电流检测方式。

电流探头检测的是需要测量的电流四周的磁场,所以可以进行非接触式测量,这样能减小对测量对象的影响。


测量仪所采用的电流测量方法



采用分流电阻的电流测量方式

分流电阻的电流测量方式.png

采用这种测量方法,需要切断有电流流过的线路,使用分流电阻形成旁路。有时也会采用一种方法,切断被测量导体,插入低值电阻(分流电阻)测量电阻两端电压。

采用此方法时需要注意的是,由分流电阻产生的电压会对测量对象的工作状态产生影响,电阻非常低的情况下容易受到寄生电感元件与寄生电容的影响,输出电压带有频率特性。另外需要借助差分和浮空进行检测。

但是,在可忽略寄生电感元件与寄生电容影响的低频率下,该方法为测量精度最高的方法。


采用电流互感器的电流测量方式


在磁芯上缠绕线圈制成CT结构感应器,其构造简单制作成本低廉,但是其检测的是磁场,因此原理上是无法检测直流电的。


CT感应器的工作原理如下:

由于被测量的导体内有电流,所以磁芯内产生了磁通量(φ),为了消除该磁通量,在2级线圈上产生电动势,电流流经分流电阻。该电流产生的磁通量(φ)与被测电流产生的磁通量大小一致(φ=φ’)。

另外,被测电流Ip与2级线圈(线圈数:n)的电流Is之间存在Is=Ip/n的关系。感应电动势的产生与磁通量的变化大小成比例,所以无法检测磁通量无变化的直流电。

而感应电动势与单位时间的磁通量变化成比例,因此变化速度越慢感应电动势越小,不足以进行检测。


电流互感器使用注意事项

因为CT感应器的原理是在铁芯等磁芯中缠绕线圈,使其发挥出电感元件的功能。而在电感元件上添加直流磁场后可减少磁芯的透磁率,所以电感元件会衰减。如果增大直流磁场使其达到一定数值,磁芯会饱和,无法发挥电感元件的功能。这一特性被称为直流重叠特性。

电流探头的基本结构与在磁芯上缠绕线圈的电感元件的结构相同,所以会发生同样的现象。也就是说,在有直流电的情况下,电流探头的特性会发生变化,直流电流达到一定大小后电流探头便会失灵,无法输出波形。

使用零磁通门传感器检测直流电流

CT感应器不会对直流以及低频电流产生感应电动势,所以直流以及低频电流产生的磁通量会残留在磁芯内。如果在磁芯缝隙内安装的霍尔效应元件,它会检测出该磁通量,并将负反馈电流送入线圈以抵消该磁通量。此检测方法被称为零磁通门方法。


此方法可以有效减少磁芯内部的非线性影响,因此可进行高精度的测量。另外,还可以避免CT方法中的直流重叠特性。


如下图所示的原理,霍尔效应元件可从无法使用CT动作检测的直流电中检测出低频率磁通量(ΦーΦ');借由AMP,在磁通量相互抵消的方向上释放电流,消除磁芯内的磁通量;分流电阻中的电流为CT动作与AMP动作(霍尔效应元件检测值)相加的结果。

零磁通门传感器检测直流电流.png


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