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如何選擇示波器的探頭?基礎(chǔ)篇(2)

來(lái)源:深圳市樂(lè)買宜電子有限公司   2023年01月05日 15:46  
引 言 













示波器探頭選擇的基礎(chǔ)篇,目錄如下:

       探頭種類

       電壓探頭規(guī)格

       示波器用電壓探頭

       無(wú)源探頭

       有源探頭

       電流測(cè)量







探頭種類



不同的探頭適用于不同的環(huán)境。選擇最合適的探頭是測(cè)量的第一步。

首先需要了解需要測(cè)量的信號(hào)。

電信號(hào)基本就是測(cè)量電壓或電流,頻率高或低、振幅多少、測(cè)量對(duì)象的輸出電阻高或低、差分是否需要通過(guò)絕緣來(lái)測(cè)量等。 

理解了測(cè)量對(duì)象,就可以從種類豐富的探頭中做出選擇。

市場(chǎng)上有對(duì)應(yīng)測(cè)量高電壓、高速信號(hào)或用于多種場(chǎng)景的豐富的探頭類型。

探頭種類.png

對(duì)于電流探頭,檢查是否需要測(cè)量其頻率范圍、輸入電流、直流?

對(duì)于電流探頭,因其可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量,所以不會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生過(guò)大的影響。

我們著重看看電壓探頭如何選擇——


電壓探頭



規(guī)格

選擇電壓探頭時(shí)需要確認(rèn)的4種規(guī)格:


頻率范圍   :由可測(cè)量的頻率決定

輸入電壓范圍 :可觀測(cè)信號(hào)的最大電壓+富余量(電涌等)

輸入電阻   :對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生的直流電負(fù)載

輸入電容   :對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生的交流(高頻)電負(fù)載


參考如上規(guī)格選擇最合適的探頭。

輸入電阻過(guò)低會(huì)產(chǎn)生直流負(fù)載,會(huì)影響到電路的偏壓。

輸入電容過(guò)大會(huì)影響高速信號(hào)的上升等。


主要用途

以上為《基礎(chǔ)篇(1)》的銜接


有源探頭





有源探頭的探頭內(nèi)部前端安裝有半導(dǎo)體元件。

無(wú)源探頭:信號(hào)通過(guò)數(shù)米長(zhǎng)的電纜被輸入到示波器的半導(dǎo)體元件中。

有源探頭:信號(hào)衰減后,直接輸入到探頭內(nèi)部前端的半導(dǎo)體元件。該半導(dǎo)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(duì)上述測(cè)量對(duì)象的影響。有源探頭可抑制探頭的負(fù)載效應(yīng)對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生的影響,非常適合在高電阻、高頻率的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

下圖是差分探頭的結(jié)構(gòu):



  1. 去掉共模電壓,可抽取出差分信號(hào),用于 CAN、LVDS、高速串行通信等差分信號(hào)測(cè)量;

  2. 將示波器與測(cè)量對(duì)象的GND分離,用于配電電源電路等浮動(dòng)電路或電路GND電阻較高的場(chǎng)合。


電流探頭和

電流測(cè)量方法





我們簡(jiǎn)要介紹一下適用范圍廣的電流檢測(cè)方式。

電流探頭檢測(cè)的是需要測(cè)量的電流四周的磁場(chǎng),所以可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量,這樣能減小對(duì)測(cè)量對(duì)象的影響。


測(cè)量?jī)x所采用的電流測(cè)量方法



采用分流電阻的電流測(cè)量方式

分流電阻的電流測(cè)量方式.png

采用這種測(cè)量方法,需要切斷有電流流過(guò)的線路,使用分流電阻形成旁路。有時(shí)也會(huì)采用一種方法,切斷被測(cè)量導(dǎo)體,插入低值電阻(分流電阻)測(cè)量電阻兩端電壓。

采用此方法時(shí)需要注意的是,由分流電阻產(chǎn)生的電壓會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象的工作狀態(tài)產(chǎn)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(jìn)行檢測(cè)。

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(cè)量精度最高的方法。


采用電流互感器的電流測(cè)量方式


在磁芯上纏繞線圈制成CT結(jié)構(gòu)感應(yīng)器,其構(gòu)造簡(jiǎn)單制作成本低廉,但是其檢測(cè)的是磁場(chǎng),因此原理上是無(wú)法檢測(cè)直流電的。


CT感應(yīng)器的工作原理如下:

由于被測(cè)量的導(dǎo)體內(nèi)有電流,所以磁芯內(nèi)產(chǎn)生了磁通量(φ),為了消除該磁通量,在2級(jí)線圈上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),電流流經(jīng)分流電阻。該電流產(chǎn)生的磁通量(φ)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁通量大小一致(φ=φ’)。

另外,被測(cè)電流Ip與2級(jí)線圈(線圈數(shù):n)的電流Is之間存在Is=Ip/n的關(guān)系。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與磁通量的變化大小成比例,所以無(wú)法檢測(cè)磁通量無(wú)變化的直流電。

而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與單位時(shí)間的磁通量變化成比例,因此變化速度越慢感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越小,不足以進(jìn)行檢測(cè)。


電流互感器使用注意事項(xiàng)

因?yàn)镃T感應(yīng)器的原理是在鐵芯等磁芯中纏繞線圈,使其發(fā)揮出電感元件的功能。而在電感元件上添加直流磁場(chǎng)后可減少磁芯的透磁率,所以電感元件會(huì)衰減。如果增大直流磁場(chǎng)使其達(dá)到一定數(shù)值,磁芯會(huì)飽和,無(wú)法發(fā)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(jié)構(gòu)與在磁芯上纏繞線圈的電感元件的結(jié)構(gòu)相同,所以會(huì)發(fā)生同樣的現(xiàn)象。也就是說(shuō),在有直流電的情況下,電流探頭的特性會(huì)發(fā)生變化,直流電流達(dá)到一定大小后電流探頭便會(huì)失靈,無(wú)法輸出波形。

使用零磁通門傳感器檢測(cè)直流電流

CT感應(yīng)器不會(huì)對(duì)直流以及低頻電流產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),所以直流以及低頻電流產(chǎn)生的磁通量會(huì)殘留在磁芯內(nèi)。如果在磁芯縫隙內(nèi)安裝的霍爾效應(yīng)元件,它會(huì)檢測(cè)出該磁通量,并將負(fù)反饋電流送入線圈以抵消該磁通量。此檢測(cè)方法被稱為零磁通門方法。


此方法可以有效減少磁芯內(nèi)部的非線性影響,因此可進(jìn)行高精度的測(cè)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(yīng)元件可從無(wú)法使用CT動(dòng)作檢測(cè)的直流電中檢測(cè)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(nèi)的磁通量;分流電阻中的電流為CT動(dòng)作與AMP動(dòng)作(霍爾效應(yīng)元件檢測(cè)值)相加的結(jié)果。

零磁通門傳感器檢測(cè)直流電流.png


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