如何避免檢測(cè)到來(lái)自探頭外殼電流的信號(hào)

示波器探頭都有兩根導(dǎo)線，一根用于連接測(cè)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(jī)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(duì)傳感線電壓的響應(yīng)。這一節(jié)里分析示波器對(duì)屏蔽線上的信號(hào)是如何響應(yīng)的。

示波器的機(jī)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3.17中，通過(guò)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(méi)有傳導(dǎo)屏蔽電流，因此它上面并沒(méi)有壓降。

當(dāng)傳感線和屏蔽線都連接到工作電路的地時(shí)，兩條線上的不同壓降會(huì)在示波器的垂直放大器上反映兩者的電壓差。我們無(wú)從知道這個(gè)電壓差是由探頭電纜遠(yuǎn)端的實(shí)際信號(hào)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(wú)電壓，它可顯示的就是屏蔽電壓。

示波器對(duì)屏蔽電壓的響應(yīng)，就好像它是一個(gè)真正的信號(hào)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?yàn)槠帘螌訉?dǎo)體和中心導(dǎo)體之間是磁耦合。流過(guò)屏蔽環(huán)路的電流產(chǎn)生的任何變化的磁場(chǎng)，都共同環(huán)繞于屏蔽導(dǎo)體和中心導(dǎo)體，在兩個(gè)導(dǎo)體上感應(yīng)出相同的電壓。感應(yīng)電壓在兩個(gè)導(dǎo)線上同時(shí)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(diǎn)和地線連接起來(lái)。

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

3、將探頭的灑端用鋁箔裹上，將探測(cè)觸點(diǎn)直接同探頭的金屬接地護(hù)套短接，此時(shí)磁場(chǎng)檢測(cè)電壓減到接近于零。

4、現(xiàn)在將示波器探頭邊到測(cè)試電路的邏輯地，此時(shí)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(huì)給控制大功率設(shè)備的數(shù)字系統(tǒng)帶來(lái)麻煩。設(shè)備中巨大的60HZ交流電流會(huì)在數(shù)字邏輯地上感應(yīng)出電壓，這反過(guò)來(lái)造成了屏蔽噪聲。如果是屏蔽電壓帶來(lái)的麻煩，可以用9種方法來(lái)克服它。

1、降低屏蔽電阻。如果探頭是買來(lái)的，那么這一點(diǎn)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(wèn)題使得這種方法并不現(xiàn)實(shí)，但它解決了儀器裝備的問(wèn)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(guò)旁路阻抗，而少量的電流流過(guò)屏蔽線。這種方法通常并不實(shí)用，特別是對(duì)高頻。從測(cè)試電路板上選取一個(gè)良好的接地點(diǎn)，通過(guò)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(zhǎng)，則并不存在任何足夠大直徑的導(dǎo)體能夠使問(wèn)題得到改善（電感隨直徑的對(duì)數(shù)的變化而改變）。如果旁路導(dǎo)體比示波器探頭線的長(zhǎng)度短得多，倒是有可能會(huì)起作用。

3、將測(cè)試電路板斷電，或者部分?jǐn)嚯?。這種方法僅在測(cè)試局部電路時(shí)有效。如果你懷疑問(wèn)題來(lái)自屏蔽電流器聲，這是一種好的試驗(yàn)方法。這可以用于確定噪聲是由測(cè)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(gè)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(wèn)題得到改善。在10MHZ以上，磁芯的效果會(huì)降低。

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

6、斷開(kāi)示波器的安全地線。斷開(kāi)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(jī)殼相連，示波器的機(jī)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(hù)開(kāi)關(guān)。它切斷電源，很可能在關(guān)鍵時(shí)刻保護(hù)了你的生命。

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

如果示波器的機(jī)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(huì)被切斷，從而使屏蔽電流降低。然而遺憾的是，斷開(kāi)安全地線并不能得到良好的隔離效果。

對(duì)大多數(shù)示波器而言，在其內(nèi)部的電源部分，都有一個(gè)0.01UF的電容把機(jī)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(méi)用這個(gè)電容，在電源變壓器上也會(huì)有足夠的寄生電容，從而在機(jī)殼和電源之間形成高頻能路。

在頻率高于10MHZ時(shí)，無(wú)論如何，示波器都有足夠的對(duì)地電容，所以簡(jiǎn)單地?cái)嚅_(kāi)安全地線的方法并沒(méi)有效果。

這種方法對(duì)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(gè)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(gè)雙重屏蔽包裹起來(lái)。將雙重屏蔽同示波器探頭的接地點(diǎn)接到一起。在高頻時(shí)，大部分屏蔽電流由于趨效應(yīng)被轉(zhuǎn)移到外屏蔽層。因?yàn)樘筋^的內(nèi)層屏蔽沒(méi)有電流通過(guò)，所以沒(méi)有壓降和噪聲電壓存在。這種方法聽(tīng)起來(lái)有悖常理，但確實(shí)起作用。雙重屏蔽層可以用鋁箔制作，或者剖開(kāi)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(diǎn)之間的裸露長(zhǎng)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(gè)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(gè)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(lái)即可。

8、使用1：1探頭，而不是10：1探頭。10：1探頭并不會(huì)衰減屏蔽電壓，由于10：1探頭使實(shí)際被測(cè)信號(hào)發(fā)生衰減，因此使用10：1探頭使得屏蔽電壓看起來(lái)相對(duì)大了10倍。

9、采用差分探頭的方案。圖3.18給出了實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量的正確方法。探頭14接到信號(hào)點(diǎn)而探頭2連接到信號(hào)地。兩個(gè)探頭的屏蔽層在G5點(diǎn)連接到一起，并且不與電路板相接觸。用一根獨(dú)立的接地導(dǎo)線將電路板的地和示波器的地相接。只有當(dāng)電路板通過(guò)其他機(jī)制沒(méi)有合適的方式同真實(shí)的地相連時(shí)，這根獨(dú)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(hào)減去探頭2的信號(hào)。這個(gè)操作需要進(jìn)行小的調(diào)整才能得到比較好的效果。將兩個(gè)探頭暫時(shí)連接到同一個(gè)測(cè)試信號(hào)點(diǎn)，然后調(diào)整兩個(gè)探頭的增益，使得兩路信號(hào)完全相抵消。接下來(lái)，暫時(shí)將兩個(gè)探頭都接到地，觀察存在多少殘留檢測(cè)噪聲。這個(gè)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(dāng)采用差分探頭時(shí)，由于屏蔽層沒(méi)有接觸任何東西，所以屏蔽電流此時(shí)并不存在。這就是差分探頭的主要好處。對(duì)于具有浮動(dòng)的電路，或地線電壓高于真正大地時(shí)，差分探頭可能是惟一的選擇。

把兩個(gè)探頭盡量靠近，使得它們之間的磁感應(yīng)檢測(cè)回路的尺寸最小。回路中檢測(cè)到的任何磁場(chǎng)都會(huì)在兩個(gè)探頭間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。將兩個(gè)探頭線雙絞或綁緊，保證它們緊貼一起。

當(dāng)使用普通示波器探頭時(shí)，保持接地點(diǎn)貼近于測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)互感方式耦合進(jìn)兩個(gè)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(dá)到差分效果，探頭的長(zhǎng)度和類型必須一致。兩個(gè)探頭的頻率響應(yīng)或延遲的不均等會(huì)導(dǎo)致示波器顯示屏上出現(xiàn)共模信號(hào)。

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(lái)說(shuō)帶寬太低，因此對(duì)解決調(diào)整數(shù)字問(wèn)題用處不大。

差分測(cè)量時(shí)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(bǔ)償調(diào)整一定要匹配得非常好。這種方式在調(diào)整信號(hào)時(shí)幾乎不適用。