不用“土豪”装备,教你如何用普通示波器进行电流测试

2015-01-14 10:29:08来源: 21ic
这篇文章不是在鼓励山寨,只是在分享示波器的发烧级功能。类似方法还有诸如用无源探头的地线和信号针短路当作近场探头。

该文所描述的这种方法得到的测量结果虽然有误差,但毕竟提供了不花钱的一种定性的结果。文中图片也可以看出这种带有明显误差的做法和使用电流探头测量结果是有比较大的差别的。

PS:有钱还是不要省电流探头和高压差分探头哦。测量有风险,误差要防范。

问题提出:

示波器是大多数电子工程师使用最多的一种仪器,提起示波器大家马上想到的是测试电压,当然很多示波器还可做比较粗略的频谱分析等,但很多示波器对电子工程师很关注的一项指标--- 电流却无法测试,在一些分析验证中不光需要测试电压,有时更需要测试电流;目前一些比较高端的示波器可以测试电流,不过需要另购有源电流探头,提到有源两字,就意味着不菲的价格,不错,购买一根有源电流探头的花费差不多可以购买一些品牌的中端示波器了,所以这不是一般小公司玩得起的“土豪”装备啊。

提到电流测试,有人可能会说万用表不就可以测量吗?当然万用表可以测量某个时刻的电流,但存在几个问题:1、由于万用表的反应速度较慢(一般都是百mS量级),用这样的反应速度来捕捉某些稍纵即逝的信号犹如骑自行车去追缉坐高铁的疑犯;2、万用表无法记录长时间的测试结果,好一些的表可以记录最大、最小值等;3、最关键的是万用表无法看到电流变化的过程,很多时候我们希望看到的是变化过程而不只是结果,比如我们想知道三极管过流损坏最可能在什么时候发生的而不是只想看到三极管在冒烟。

没有昂贵的电流探头就无法用示波器看到电流的变化过程吗?其实我们换个思路还是可以找到解决方法的,方法其实很简单,就是我们中学物理学过的I=V/R,泪奔了吧?注意这个V不是某点的电压,而是两点的电位差,这是个关键,也是一些初学者容易陷入误区的地方,如果用某点的电压变化去推测电流的变化那很多时候就要出错了,后面我们从实例测试可看到这点。

具体方法:

这个方法的具体做法是:用两根探头分别测出一个电阻(甚至可以是一段线,当然前提是这段线的电阻大到其两端可以产生合适的电位差)两端的电压V1、V2,然后用示波器的计算功能就能实时地计算出△V=V1-V2,而I=△V /R,只要环境不发生激烈的变化等我们可认为R是不变的,因此I是随△V线性变化的,所以△V的变化反映的就是电流的变化。我们下面通过一个实例来验证一下这个方法是否可行。

实例验证:

下面示波器截图1测试的是某PCB上一MOS管在上电瞬间,漏极和源极之间的电压和电流变化,其中棕色波形是源极电压Vs,紫色波形是漏极电压Vd,黄颜色的较粗波形就是通过示波器运算功能计算出来的漏源极电压 △Vsd =Vs-Vd(本例中通道C1测量的是Vs,通道C2测量的是Vd,因此具体的运算设置就如图2所示的C1-C2);绿色波形是用有源电流探头测试出来的漏源极电流Isd,从Isd和 △Vsd两者的波形对比可看出,它们的变化过程非常接近;用有源电流探头测出的Isd峰值大概为3.6A;计算得到的△Vsd峰值大概为0.43V,用万用表测得的该线路电阻大概为0.15?,因此用电位差方法得到的电流峰值大概为0.43V/0.15 ? =2.87A,这跟有源电流探头测试的结果有差别,当然这跟MOS管不同状态的导通电阻、示波器、无源探头、万用表的误差等有关,但是用这个方法来测试我们最关注的电流变化过程是完全可行的,通过观察电流的变化可以大致知道MOS管的损坏最可能在什么时候发生,从而为采取正确的措施提供依据。

看到这里,有经验的工程师可能会提出一个问题: 使用普通的探头进行测试,共模抑制比CMRR如何解决? 确实是存在这个问题,不过我们前面也提过,这方法最主要是可让我们看到电流的变化过程,在各种因素的影响下用这方法测试出来的具体电流值的准确程度肯定比不上专门的有源电流探头(如果这个不花钱的方法能完全解决几万元才能解决的问题,以后有源电流探头就卖不出去了,当然如果你恰好看到本文,某天用电流的变化分析解决了以前的某个悬案,不妨可以此说服老板少喝两瓶,买个电流探头^_^);而且要解决CMRR的话就需要用到有源差分探头,这东东的身价跟电流探头可有一拼了,这样的话就达不到我们不花钱的目的了^_^;不过,Vs-Vd有个好处就是可消除一部分信号上的干扰。

另外,我们从截图可以看到,单点的电压Vs或Vd的变化不同于Isd的变化,所以不要陷入用单点电压变化来估算电流变化的误区。

图1 通过两个电压相减得到电压差近似测量电流的变化

另外,使用这个方法有个前提是示波器需要具有通道间的数据计算功能(如图2),这个功能对现在很多基于Windows操作系统的示波器来说是小菜一碟;当然,如果示波器的运算公式能加入R,就是图2的Summary为I=△V/R,计算得到的结果就更直观了。

总结思考:

方法总是比问题多,在很多情况下,换个思路就可能找到解决问题的办法。比如很多工程师由于无合适的仪器可观察到电流的变化过程,对电路中电流是如何变化的,很多时候可能是靠经验去估算,但这种估算不一定跟实际情况吻合,本文提出的方法可让工程师在不花钱的情况下使用现有的示波器观察到电路中电流的变化过程,虽然其理论基础不是“高大上”,但具有较好的实用价值,使现有的示波器多了一只“眼睛”。

其实这文章的想法是多年前我公司还没买电流探头时自己的一些尝试,当时这样去尝试是因为没有合适的工具又想知道电流是如何变化的,现在应该还有很多不想买或买不起有源电流探头的中小公司工程师面临我当年的困惑,希望把我当年的想法整理成的文章能对他们有所帮助。

关键字:土豪  示波器  电流测试

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0114/article_10574.html
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