如何驗(yàn)證電流探頭的可靠性？

電流探頭是示波器測量電流的必備配件，但不同品牌之間價(jià)格往往差別很大，到底什么樣的電探頭才是可靠的呢?這里分享了電流探頭可靠性驗(yàn)證的完整過程，并呈現(xiàn)所有實(shí)測結(jié)果，您也可依據(jù)此法對自己使用的電流探頭進(jìn)行驗(yàn)證。

本文針對ZCP0030-50電流探頭進(jìn)行了全方位性能參數(shù)驗(yàn)證， 主要測試參數(shù)包括直流精度、上升時(shí)間、方波響應(yīng)、噪聲、以及開關(guān)電源開關(guān)管電流波形實(shí)測。為了讓實(shí)測結(jié)果更加直觀，我們選擇T公司的TCP312電流探頭作為實(shí)測對比，并且在所有測試配有圖片和測試結(jié)果，保證測試過程可追溯。

一、直流精度驗(yàn)證

ZCP0030-50標(biāo)稱直流精度為1%rdg±1mV，實(shí)測精度如表1所示。

1、測試條件

精度測試所使用試儀器為FLUKE5720校準(zhǔn)器、六位半萬用表DMM6000。測試步驟，校準(zhǔn)器FLUKE5720輸出不同的被測電流值，萬用表讀取電流探頭的響應(yīng)電壓值。

圖 2.1 直流精度測試環(huán)境

2、精度數(shù)據(jù)

表 2.1 直流精度測試數(shù)據(jù)

3、驗(yàn)證結(jié)論

上表格的數(shù)據(jù)顯示，ZCP0030-50在量程范圍內(nèi)的直流精度在1%rdg±1mV以內(nèi)。

二、上升時(shí)間驗(yàn)證

ZCP0030-50的帶寬是50MHz，對應(yīng)上升時(shí)間≤7ns。探頭上升時(shí)間是指測試脈沖時(shí)，測量系統(tǒng)響應(yīng)波形從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時(shí)間，是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，上升時(shí)間越快，說明探頭的響應(yīng)越快，能測到更加快速變化的電流波形，還原電流波形的性能越好。

1、測試條件

測試電流探頭的上升時(shí)間使用的測試儀器是信號發(fā)生器Keysight33600和示波器ZDS2022。信號發(fā)生器產(chǎn)生上升時(shí)間為5ns的方波，示波器顯示經(jīng)過電流探頭后的上升波形和時(shí)間。

2、波形數(shù)據(jù)

圖 3.1 ZCP0030-50的上升時(shí)間

如圖 3.1所示，根據(jù)示波器測量到的上升時(shí)間為8.5ns，這個(gè)總時(shí)間是信號發(fā)生器自身的上升時(shí)間加上探頭的上升時(shí)間，所以實(shí)際上探頭的上升時(shí)間還需要將總時(shí)間減去信號發(fā)生器自身的上升時(shí)間，具體的計(jì)算公式如下。

3、驗(yàn)證結(jié)論

實(shí)測結(jié)果在理論計(jì)算范圍內(nèi)，上升時(shí)間正常，實(shí)測帶寬在50MHz以上。

三、方波響應(yīng)驗(yàn)證

方波響應(yīng)主要是用來簡易測試電流探頭幅頻響應(yīng)特性的測試方法。電流探頭能夠完整的重現(xiàn)方波波形，不出現(xiàn)畸變，說明探頭的幅頻響應(yīng)平坦，是良好的。

1、測試條件

測試電流探頭的方波響應(yīng)時(shí)，使用的測試儀器是信號發(fā)生器Keysight33600和示波器ZDS2022。信號發(fā)生器產(chǎn)生電流峰峰值為100mA，頻率分別1KHz、100KHz、1MHz為的方波，示波器顯示相對應(yīng)的方波波形。

2、波形數(shù)據(jù)

如圖3所示，在測試1KHz的電流方波時(shí)，探頭的方波響應(yīng)是很好的，波形基本上沒有畸變，波形比較平坦，沒有發(fā)生傾斜等。

圖3 1KHz電流方波響應(yīng)

如圖4所示，在測試100KHz的電流方波時(shí)，探頭的方波響應(yīng)是很好的，波形基本上沒有畸變，波形比較平坦，沒有發(fā)生傾斜等。

圖 4 100KHz電流方波響應(yīng)

如3所示，在測試1MHz的電流方波時(shí)，探頭的整體方波響應(yīng)的波形基本上沒有畸變，波形比較平坦，沒有發(fā)生傾斜等。

圖5 100KHz電流方波響應(yīng)

如圖5所示，在測試1MHz的電流方波時(shí)，探頭的整體方波響應(yīng)的波形基本上沒有畸變，波形比較平坦，沒有發(fā)生傾斜等。

3、驗(yàn)證結(jié)論

實(shí)測結(jié)果在理論計(jì)算范圍內(nèi)，幅頻響應(yīng)平坦。

四、噪聲評測

噪聲是電流探頭的重要參數(shù)，噪聲的大小直接影響到探頭的分辨率，噪聲越小，分辨率越高。

1、測試條件

噪聲測試主要是使用示波器ZDS2022來觀察測試，并記錄相應(yīng)的測試值。

2、精度數(shù)據(jù)

如圖6所示，測試出來的電流探頭的實(shí)際噪聲的峰峰值小于10mA，交流有效值小于1mArms。

圖6 噪聲測試

3、驗(yàn)證結(jié)論

實(shí)測結(jié)果在理論計(jì)算范圍內(nèi)，噪聲控制良好。

五、開關(guān)電源波形實(shí)測

示波器電流探頭主要用來配合示波器觀察電路上的電流波形，比如說MOS管上的電流波形，方便工程師調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)電路問題。通過測量開關(guān)電源開關(guān)管上的電流波形，將ZCP0030-50和T公司的TCP312進(jìn)行對比測試，進(jìn)一步驗(yàn)證性能。

圖7 電流探頭測試開關(guān)管電流的連接圖

1、測試條件

電流波形對比測試主要用到的測試儀器主要有：ZDS2022示波器、電子負(fù)載、開關(guān)電源、電流探頭ZCP0030-50和TCP312。

測試步驟如下：

(1)將電流探頭ZCP0030-50和TCP312上電消磁調(diào)零后，將兩個(gè)探頭同時(shí)夾到在MOS管DS極間引出的導(dǎo)線上，將BNC輸出分別連接到示波器的通道1和通道2。具體如圖8所示。

圖8 開關(guān)管電流波形對比測試的儀器連接

(2)將開關(guān)電源的輸出接到電子負(fù)載上，給開關(guān)電源供電，電子負(fù)載可以設(shè)置為空載或者滿載狀態(tài)，觀察在兩種不同負(fù)載下，MOS管上不同的電流波形。

2、對比測試

如圖9所示，在開關(guān)電源滿載情況下，電流探頭ZCP0030-50和TCP312都能夠完整測量到MOS管上的電流波形，因TCP312帶寬為120MHz，二者峰峰值有約4%的差異。如圖10所示，在開關(guān)電源空載的情況下，電流探頭測量到的電流波形。

圖9 滿載時(shí)MOS管DS極間的電流波形

圖10 空載時(shí)MOS管DS極間的電流波形

開關(guān)電源的開關(guān)頻率并不是很高，大約在100KHz，但瞬時(shí)變化的上升時(shí)間卻是在ns級別的，需要高帶寬的電流探頭才能完整的重現(xiàn)電流波形細(xì)節(jié)。在開關(guān)電源滿載的情況下，將電流波形放大，觀察電流快速變化處的波形細(xì)節(jié)，兩種探頭顯示的波形細(xì)節(jié)幾乎一樣，如圖11所示。在開關(guān)電源空載的情況下，如圖12所示。

圖11 滿載時(shí)MOS管DS極間的電流波形細(xì)節(jié)

圖12 空載時(shí)MOS管DS極間的電流波形細(xì)節(jié)

3、驗(yàn)證結(jié)論

對于高頻噪聲而言，實(shí)測結(jié)果的微小差異源自于帶寬差別，但對于開關(guān)頻率只在幾百KHz的信號而言，帶寬差別對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小。此處建議選擇50M帶寬即可。

六、總結(jié)

一般來說直流精度、上升時(shí)間、方波響應(yīng)、噪聲、以及開關(guān)電源開關(guān)管電流波形等多個(gè)角度進(jìn)行了全方位的實(shí)測即可相對完整的驗(yàn)證整體測試結(jié)果。