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如何選擇示波器的探頭?基礎篇(2)

更新時間:2023-01-05 點擊次數:1024
引 言 













示波器探頭選擇的基礎篇,目錄如下:

       探頭種類

       電壓探頭規格

       示波器用電壓探頭

       無源探頭

       有源探頭

       電流測量







探頭種類



不同的探頭適用于不同的環境。選擇最合適的探頭是測量的第一步。

首先需要了解需要測量的信號。

電信號基本就是測量電壓或電流,頻率高或低、振幅多少、測量對象的輸出電阻高或低、差分是否需要通過絕緣來測量等。 

理解了測量對象,就可以從種類豐富的探頭中做出選擇。

市場上有對應測量高電壓、高速信號或用于多種場景的豐富的探頭類型。

探頭種類.png

對于電流探頭,檢查是否需要測量其頻率范圍、輸入電流、直流?

對于電流探頭,因其可以進行非接觸式測量,所以不會對測量對象產生過大的影響。

我們著重看看電壓探頭如何選擇——


電壓探頭



規格

選擇電壓探頭時需要確認的4種規格:


頻率范圍   :由可測量的頻率決定

輸入電壓范圍 :可觀測信號的最大電壓+富余量(電涌等)

輸入電阻   :對測量對象產生的直流電負載

輸入電容   :對測量對象產生的交流(高頻)電負載


參考如上規格選擇最合適的探頭。

輸入電阻過低會產生直流負載,會影響到電路的偏壓。

輸入電容過大會影響高速信號的上升等。


主要用途

以上為《基礎篇(1)》的銜接


有源探頭





有源探頭的探頭內部前端安裝有半導體元件。

無源探頭:信號通過數米長的電纜被輸入到示波器的半導體元件中。

有源探頭:信號衰減后,直接輸入到探頭內部前端的半導體元件。該半導體元件可緩沖大容量電纜電容,因此可極大地減小輸入電容,減小對上述測量對象的影響。有源探頭可抑制探頭的負載效應對測量對象產生的影響,非常適合在高電阻、高頻率的環境下進行測量。

下圖是差分探頭的結構:



  1. 去掉共模電壓,可抽取出差分信號,用于 CAN、LVDS、高速串行通信等差分信號測量;

  2. 將示波器與測量對象的GND分離,用于配電電源電路等浮動電路或電路GND電阻較高的場合。


電流探頭和

電流測量方法





我們簡要介紹一下適用范圍廣的電流檢測方式。

電流探頭檢測的是需要測量的電流四周的磁場,所以可以進行非接觸式測量,這樣能減小對測量對象的影響。


測量儀所采用的電流測量方法



采用分流電阻的電流測量方式

分流電阻的電流測量方式.png

采用這種測量方法,需要切斷有電流流過的線路,使用分流電阻形成旁路。有時也會采用一種方法,切斷被測量導體,插入低值電阻(分流電阻)測量電阻兩端電壓。

采用此方法時需要注意的是,由分流電阻產生的電壓會對測量對象的工作狀態產生影響,電阻非常低的情況下容易受到寄生電感元件與寄生電容的影響,輸出電壓帶有頻率特性。另外需要借助差分和浮空進行檢測。

但是,在可忽略寄生電感元件與寄生電容影響的低頻率下,該方法為測量精度最高的方法。


采用電流互感器的電流測量方式


在磁芯上纏繞線圈制成CT結構感應器,其構造簡單制作成本低廉,但是其檢測的是磁場,因此原理上是無法檢測直流電的。


CT感應器的工作原理如下:

由于被測量的導體內有電流,所以磁芯內產生了磁通量(φ),為了消除該磁通量,在2級線圈上產生電動勢,電流流經分流電阻。該電流產生的磁通量(φ)與被測電流產生的磁通量大小一致(φ=φ’)。

另外,被測電流Ip與2級線圈(線圈數:n)的電流Is之間存在Is=Ip/n的關系。感應電動勢的產生與磁通量的變化大小成比例,所以無法檢測磁通量無變化的直流電。

而感應電動勢與單位時間的磁通量變化成比例,因此變化速度越慢感應電動勢越小,不足以進行檢測。


電流互感器使用注意事項

因為CT感應器的原理是在鐵芯等磁芯中纏繞線圈,使其發揮出電感元件的功能。而在電感元件上添加直流磁場后可減少磁芯的透磁率,所以電感元件會衰減。如果增大直流磁場使其達到一定數值,磁芯會飽和,無法發揮電感元件的功能。這一特性被稱為直流重疊特性。

電流探頭的基本結構與在磁芯上纏繞線圈的電感元件的結構相同,所以會發生同樣的現象。也就是說,在有直流電的情況下,電流探頭的特性會發生變化,直流電流達到一定大小后電流探頭便會失靈,無法輸出波形。

使用零磁通門傳感器檢測直流電流

CT感應器不會對直流以及低頻電流產生感應電動勢,所以直流以及低頻電流產生的磁通量會殘留在磁芯內。如果在磁芯縫隙內安裝的霍爾效應元件,它會檢測出該磁通量,并將負反饋電流送入線圈以抵消該磁通量。此檢測方法被稱為零磁通門方法。


此方法可以有效減少磁芯內部的非線性影響,因此可進行高精度的測量。另外,還可以避免CT方法中的直流重疊特性。


如下圖所示的原理,霍爾效應元件可從無法使用CT動作檢測的直流電中檢測出低頻率磁通量(ΦーΦ');借由AMP,在磁通量相互抵消的方向上釋放電流,消除磁芯內的磁通量;分流電阻中的電流為CT動作與AMP動作(霍爾效應元件檢測值)相加的結果。

零磁通門傳感器檢測直流電流.png


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