近年來，工程師在設計移動電話和其他電池供電的設備時通常都需要進行更靈敏的電流測量，以確保設備的電流消耗在可接受的范圍之內。電流的測量過程非常麻煩，因為您不得不中斷電路并將測量儀器與電路串聯起來。使用鉗式電流探頭和示波器可以輕松實施電流測量，并且不必破壞電路。但是對于毫安級或更小的電流，其測量難度大大增加。本文介紹了幾個非常實用的測量技巧，可以幫助您在示波器噪聲較高的應用環境中精確測量小電流。

示波器的噪聲影響很重要

隨著電流電平的下降，示波器本身具有的噪聲將變成一個現實問題。所有示波器都有一個多余的特征 — 垂直噪聲。當您測量低電平信號時，測量系統的噪聲可能會導致實際信號測量的精度下降。由于示波器是一種寬帶測量儀器，所以示波器的帶寬越寬，垂直噪聲就越高。因此在測量之前，您需要仔細測試示波器的噪聲特征。500 MHz 帶寬示波器采用最靈敏的 V/ 格 設置時，其本底噪聲一般約為 2 mV 峰峰值。在進行低電平測量時，需要注意示波器上的采集存儲器可能會影響本底噪聲。在帶寬和其他條件都相同的情況下，采集存儲器越深，則噪聲就越大。另一方面，現代交流 /直流電流探頭 ( 如 Keysight N2783B 100 MHz 電流探頭 ) 能夠測量 5 mA 的交流或直流電流，測量精度大約為 3%。這種電流探頭的設計采用每安培電流輸入，電壓輸出 0.1 V。換句話說，在測量 20 mA 以下的電流時，示波器自身的 2 mVpp 噪聲可能是最主要的噪聲來源。

那么，您如何才能最大程度地減少示波器的固有噪聲呢?對于現代的數字示波器來說，可以選擇的方法有很多：

1) 帶寬限制濾波器

大多數數字示波器均提供帶寬限制濾波器，這些濾波器能夠濾除輸入波形中的多余噪聲并降低噪聲帶寬，從而可以提高垂直分辨率。帶寬限制濾波器可以采用硬件實現，也可以采用軟件來實現。大多數帶寬限制濾波器都能根據您的需要來啟用或禁用。

2) 高分辨率采集模式

大多數數字示波器在正常采集模式下可以提供 8 位的垂直分辨率。某些示波器在高分辨率模式下能夠提供更高的垂直分辨率，通常可達 12 位，該模式可以降低垂直噪聲，提高垂直分辨率。通常，在應用了較慢的時間 / 格設置時，在屏幕上捕獲到的數據點非常多，此時高分辨率模式具有很大的影響。由于高分辨率模式下的采集將對單個觸發點相鄰的數據點取平均值，所以會降低采樣率和示波器的帶寬。

3) 平均模式

如果信號是周期性的或是直流信號，您可以使用平均模式來降低示波器的垂直噪聲。平均模式會多次采集周期性波形，并生成運行平均值以降低隨機噪聲。高分辨率模式會降低信號的采樣率和帶寬，而正常平均模式卻不會。不過，平均模式會減緩波形更新速率，因為它要進行多次采集來計算波形的平均值，然后才能在屏幕上畫出軌跡。當您選擇大量平均值時，降噪效果比以上任何一種方法都要明顯。

圖 1. 有很多方法可以降低示波器的固有垂直噪聲。

提高電流探頭測量精度和靈敏度

現在您已了解如何使用以上任何一種技術來降低示波器的垂直噪聲，讓我們再來看一下如何提高電流探頭的精度和靈敏度。市場上的電流探頭有很多種。其中使用最方便、性能最出色的一種是鉗式交流 / 直流電流探頭，您可以用它夾住載流導體來測量交流或直流電流。Keysight N2780A 系列或 1147B 電流探頭就是這種探頭的典型代表。

圖 2. 通過消磁和直流偏置可以提高電流探頭的精度

圖 3. 通過在探頭上纏繞多圈被測導體可以提高探頭的靈敏度

使用此類電流探頭有兩個很有用的技巧：

1. 消除磁性 ( 去磁 / 消磁 )和直流偏置

要確保精確地測量低電平電流，您需要對磁芯進行去磁以消除殘余磁性。就像消除 CRT 顯示器的多余磁場可以改善畫質一樣，您可以通過對電流探頭進行消磁或去磁來消除任何剩余磁性。如果在探頭核心被磁化的情況下進行測量，那么就會產生和剩余磁性成正比的偏置電壓，從而誘發測量誤差。. 無論您何時要接通 / 斷開探

頭的電源開關或者對其輸入過量電流時，去除探頭磁核的磁性都非常重要。為執行探頭去磁 / 消磁，可以將探頭與所有導體斷開，并確定探頭閉鎖，然后按下探頭 DEMAG( 或 DEGAUSS) 按鈕。

此外，您還可使用探頭上的調零控制按鈕來校正探頭的多余電壓偏置或溫度漂移。

2. 提高示波器探頭靈敏度

電流探頭可以測量流經探頭鉗口的電流所生成的磁場。它會生成與輸入電流成正比的電壓輸出。如果您正在測量直流信號或小幅度的低頻交流信號，可以通過在探頭上纏繞多匝被測導體來提高測量靈敏度。此時信號的強度將按照被測導體在探頭上纏繞的匝數倍增。例如，如果一個導體在探頭上纏繞了 5 圈，而示波器顯示的讀數為 25 mA，那么實際的電流就是 25 mA 除以 5，即 5 mA。在本例中，您可以將電流探頭的靈敏度提高 5 倍。

結論

使用鉗式電流探頭和示波器可以非常簡便地測量電流，并且不必破壞電路。不過，當您在測量結果中引入示波器的寬帶噪聲時，示波器的垂直噪聲可能會妨礙您進行精確的低電平電流測量。通過應用本文中介紹的一個或多個測量技巧，您可以消除示波器的隨機噪聲，以及電流探頭的多余磁性或直流偏置，從而顯著提高您的測量精度。

審核編輯：湯梓紅