如何避免檢測到來自探頭外殼電流的信號

如何避免檢測到來自探頭外殼電流的信號

　示波器探頭都有兩根導(dǎo)線，一根用于連接測試電路與示波器的垂直放大器（稱為傳感線）另一根用于連接示波器機殼地和本地電路的數(shù)字邏輯地（稱為屏蔽線）。通常，我們只需要考慮示波器對傳感線電壓的響應(yīng)。這一節(jié)里分析示波器對屏蔽線上的信號是如何響應(yīng)的。

示波器的機殼地和邏輯地之間的任何電壓差都可以在屏蔽線中引起電流。在圖1中，通過屏蔽線電阻R屏蔽的屏蔽線電流產(chǎn)生了壓降V屏蔽。探頭電纜的中心導(dǎo)體，也就是傳感線，沒有傳導(dǎo)屏蔽電流，因此它上面并沒有壓降。

　　當傳感線和屏蔽線都連接到工作電路的地時，兩條線上的不同壓降會在示波器的垂直放大器上反映兩者的電壓差。我們無從知道這個電壓差是由探頭電纜遠端的實際信號產(chǎn)生的，還是由屏蔽電流產(chǎn)生的。雖然我們希望示波器顯示無電壓，它可顯示的就是屏蔽電壓。

　　示波器對屏蔽電壓的響應(yīng)，就好像它是一個真正的信號一樣。

　　屏蔽電壓與屏蔽線電阻成正比，而不是與屏蔽線的電感成正比。這是因為屏蔽層導(dǎo)體和中心導(dǎo)體之間是磁耦合。流過屏蔽環(huán)路的電流產(chǎn)生的任何變化的磁場，都共同環(huán)繞于屏蔽導(dǎo)體和中心導(dǎo)體，在兩個導(dǎo)體上感應(yīng)出相同的電壓。感應(yīng)電壓在兩個導(dǎo)線上同時存在，而電阻壓降只出現(xiàn)在屏蔽線上。

　　屏蔽電壓很容易觀察到：

　　1、將示波器的探頭觸點和地線連接起來。

　　2、將探頭在工作電路附近移動，面不接觸任何東西，此時只能看到來自探頭號感應(yīng)回路的磁感檢測電壓。

　　3、將探頭的灑端用鋁箔裹上，將探測觸點直接同探頭的金屬接地護套短接，此時磁場檢測電壓減到接近于零。

　　4、現(xiàn)在將示波器探頭邊到測試電路的邏輯地，此時應(yīng)該看到的僅有屏蔽線上的電壓。如果屏蔽電壓很小，則可以忽略。

　　屏蔽噪聲會給控制大功率設(shè)備的數(shù)字系統(tǒng)帶來麻煩。設(shè)備中巨大的60HZ交流電流會在數(shù)字邏輯地上感應(yīng)出電壓，這反過來造成了屏蔽噪聲。如果是屏蔽電壓帶來的麻煩，可以用9種方法來克服它。

　　1、降低屏蔽電阻。如果探頭是買來的，那么這一點就比較難辦。如果用自制的同軸電纜探頭，那么選用粗一些的同軸電纜。從RG-174改到RG-58，或從RG-58改到RG-8。較粗同軸電纜的硬度問題使得這種方法并不現(xiàn)實，但它解決了儀器裝備的問題。

　　2、在示波器和邏輯地之間加入旁路阻抗。這使得噪聲電流大部分流過旁路阻抗，而少量的電流流過屏蔽線。這種方法通常并不實用，特別是對高頻。從測試電路板上選取一個良好的接地點，通過電感足夠低的導(dǎo)體連接到示波器的地，以獲得明顯改善，這幾乎是不可能的。

　　如果旁路導(dǎo)體同探頭線一樣長，則并不存在任何足夠大直徑的導(dǎo)體能夠使問題得到改善（電感隨直徑的對數(shù)的變化而改變）。如果旁路導(dǎo)體比示波器探頭線的長度短得多，倒是有可能會起作用。

　　3、將測試電路板斷電，或者部分斷電。這種方法僅在測試局部電路時有效。如果你懷疑問題來自屏蔽電流器聲，這是一種好的試驗方法。這可以用于確定噪聲是由測試電路產(chǎn)生的，還是由于別的干擾源造成的。

　　4、在屏蔽回路中串接大電感，用一個大的高頻磁芯，將探頭圍繞它纏繞5到10圈。這將增大探頭屏蔽層的電感，從而減小電流，這種方法在100KHZ~10MHZ范圍內(nèi)效果較好。在100KHZ以下，需要用很大的電感才能使問題得到改善。在10MHZ以上，磁芯的效果會降低。

　　5、重新設(shè)計電路板，以降低電磁場輻射。將兩層板變成四層板，加入完整地平面。減少電磁場射是降低地平面產(chǎn)生噪聲電壓傾向首要方法。

　　6、斷開示波器的安全地線。斷開示波器的安全地線使示波器的交流電源系統(tǒng)的安全特性失效。一旦示波器電源系統(tǒng)的供電部分同機殼相連，示波器的機殼變?yōu)榻油?10V供電電壓，這是非安全電壓。通常，如果發(fā)生故障，安全地線將大部分交流電源的電流旁路到大地，并觸發(fā)電路的斷路保護開關(guān)。它切斷電源，很可能在關(guān)鍵時刻保護了你的生命。

　　盡管如此，你還是應(yīng)該了解將安全地線斷開對高頻信號具有什么效果。

　　如果示波器的機殼和安全地線之間隔離良好，則示波器探頭的屏蔽地環(huán)路就會被切斷，從而使屏蔽電流降低。然而遺憾的是，斷開安全地線并不能得到良好的隔離效果。

　　對大多數(shù)示波器而言，在其內(nèi)部的電源部分，都有一個0.01UF的電容把機殼同每一根交流電源線相連，這就將其依次連接到地。即使沒用這個電容，在電源變壓器上也會有足夠的寄生電容，從而在機殼和電源之間形成高頻能路。

　　在頻率高于10MHZ時，無論如何，示波器都有足夠的對地電容，所以簡單地斷開安全地線的方法并沒有效果。

　　這種方法對商頻還是起作用的，但是不適用于高速數(shù)字邏輯電路。

　　7、在示波器探頭上使用雙重屏蔽。將這個雙重屏蔽的外屏蔽層的一端連接到示波器外殼，另一端連接到電路板。示波器的探頭線必須全部被這個雙重屏蔽包裹起來。將雙重屏蔽同示波器探頭的接地點接到一起。在高頻時，大部分屏蔽電流由于趨效應(yīng)被轉(zhuǎn)移到外屏蔽層。因為探頭的內(nèi)層屏蔽沒有電流通過，所以沒有壓降和噪聲電壓存在。這種方法聽起來有悖常理，但確實起作用。雙重屏蔽層可以用鋁箔制作，或者剖開一根舊的RG-8電纜的外屏蔽并用它包裹住探頭線。應(yīng)盡量減少探頭在雙重屏蔽地層和探頭觸點之間的裸露長度，以降低環(huán)路中磁感應(yīng)噪聲的耦合。

　　如果你想自己制作一根21：1雙重屏蔽探頭，POMONA出售的一種BNC到雙重屏蔽的轉(zhuǎn)換適配器可用于此目的。將適配器的BNC插頭端到示波器的BNC插座上，POMONA適配器的另一端有雙重屏蔽的插孔，這個插孔可以將外層和中間層地線在內(nèi)部連接為單的BNC地線。用普通雙重屏蔽插頭端這個雙重屏蔽電纜，并把它插到適配器。在雙重屏蔽電纜的電路板端，只需將它的將層和中間焊起來即可。

　　8、使用1：1探頭，而不是10：1探頭。10：1探頭并不會衰減屏蔽電壓，由于10：1探頭使實際被測信號發(fā)生衰減，因此使用10：1探頭使得屏蔽電壓看起來相對大了10倍。

　　9、采用差分探頭的方案。圖2給出了實現(xiàn)差分測量的正確方法。探頭14接到信號點而探頭2連接到信號地。兩個探頭的屏蔽層在G5點連接到一起，并且不與電路板相接觸。用一根獨立的接地導(dǎo)線將電路板的地和示波器的地相接。只有當電路板通過其他機制沒有合適的方式同真實的地相連時，這根獨立的導(dǎo)線才是必要的。

　　將示波器的輸出設(shè)置為探頭1的信號減去探頭2的信號。這個操作需要進行小的調(diào)整才能得到比較好的效果。將兩個探頭暫時連接到同一個測試信號點，然后調(diào)整兩個探頭的增益，使得兩路信號完全相抵消。接下來，暫時將兩個探頭都接到地，觀察存在多少殘留檢測噪聲。這個噪聲正是我們要克服的，所以值得檢查一下是否能抓到它。

　　當采用差分探頭時，由于屏蔽層沒有接觸任何東西，所以屏蔽電流此時并不存在。這就是差分探頭的主要好處。對于具有浮動的電路，或地線電壓高于真正大地時，差分探頭可能是惟一的選擇。

　　把兩個探頭盡量靠近，使得它們之間的磁感應(yīng)檢測回路的尺寸最小�；芈分袡z測到的任何磁場都會在兩個探頭間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。將兩個探頭線雙絞或綁緊，保證它們緊貼一起。

　　當使用普通示波器探頭時，保持接地點貼近于測試點，通過互感方式耦合進兩個探頭之間傳感回路里的耦合噪聲與普通單端探頭相等。

　　為了達到差分效果，探頭的長度和類型必須一致。兩個探頭的頻率響應(yīng)或延遲的不均等會導(dǎo)致示波器顯示屏上出現(xiàn)共模信號。

　　有些示波器提供特殊的差分放大模塊和具有增益與效率響應(yīng)特性匹配的探頭。通常這些模塊都有特別的共模抑制特性，但是一般來說帶寬太低，因此對解決調(diào)整數(shù)字問題用處不大。

　　差分測量時要小心使用10*探頭。要得到有效的共模抑制，與直流增益一樣，高頻補償調(diào)整一定要匹配得非常好。這種方式在調(diào)整信號時幾乎不適用。