如何避免檢測到來自探頭外殼電流信號

　　摘要：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(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傳感線電壓的響應(yīng)。本文主要里分析示波器對屏蔽線上的信號是如何響應(yīng)的。供參考。
　　
　　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(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(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(dāng)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(yuǎn)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*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(hù)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?jǐn)嚯姟＿@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(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)開關(guān)。它切斷電源，很可能在關(guān)鍵時刻保護(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對高頻信號具有什么效果。
　　
　　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(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(jī)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。
　　
　　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3.18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(dāng)電路板通過其他機(jī)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(jìn)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*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(dāng)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zui小。回路中檢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(dāng)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(jìn)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(dá)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(bǔ)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。
　　
　　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。