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)計非常重要。由于探頭中存在分布電容和分布電感，尤其在進行高頻信號測量的時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引入示波器進行測量。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？
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
無源探頭價格便宜、經(jīng)濟耐用，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電流感應(yīng)變壓器，使用時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，這時示波器顯示的單位為A/格或mA/格。探頭的頻率范圍可達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)電機制時發(fā)現(xiàn)的，當電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時，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，當有磁場時， 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)運動時生成的磁場，通過檢測磁場的變化，把磁場轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，通過和實時示波器配合，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，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，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、測量兩點之間的電壓差是很容易的-“接"進兩個信號(或一個信號和地)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鐘和數(shù)據(jù)傳輸
工程師在設(shè)計移動-電話和其他電池供電的設(shè)備時通常都需要進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，因為您不得不中斷電路并將測量儀器與電路串聯(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非常實用的測量技巧，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現(xiàn)實問題。所有示波器都有一個多余的特征 — 垂直噪聲。當您測量低電平信號時，測量系統(tǒng)的噪聲可能會導(dǎo)致實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，其本底噪聲一般約為 2 mV 峰峰值。在進行低電平測量時，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，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，這些濾波器能夠濾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現(xiàn)，也可以采用軟件來實現(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，通常可達 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)用了較慢的時間 / 格設(shè)置時，在屏幕上捕獲到的數(shù)據(jù)點非常多，此時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觸發(fā)點相鄰的數(shù)據(jù)點取平均值，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，并生成運行平均值以降低隨機噪聲。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，因為它要進行多次采集來計算波形的平均值，然后才能在屏幕上畫出軌跡。當您選擇大量平均值時，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
要確保精準地測量低電平電流，您需要對磁芯進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。無論您何時要接通 / 斷開探頭的電源開關(guān)或者對其輸入過量電流時，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。此時信號的強度將按照被測導(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，當您在測量結(jié)果中引入示波器的寬帶噪聲時，示波器的垂直噪聲可能會妨礙您進行精準的低電平電流測量。通過應(yīng)用本文中介紹的一個或多個測量技巧，您可以消除示波器的隨機噪聲，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。
