如何利用泰克示波器进行电流测量

很多场合需要对系统、电路或者芯片的工作电流进行测试，以了解系统的功耗和工作状态。如果只是做静态电流的测量，使用万用表就可以了；如果要观察到稍快些的电流的变化情况，可以使用一些低速的数据采集设备，工业上通用的数据采集设备能够以比较高的精度对电流的波形做连续采集和记录，但通常采样率有限（约1Hz~100KHz左右）；而如果希望观察到更快速的电流动态变化，比如测量设备上电瞬间的冲击电流、开关电源的开关损耗、存储芯片在不同读写状态的电流消耗等，可能就需要用到示波器了。

示波器本身只能显示电压随时间的变化波形，也就是只能进行电压量的测量。上一期安泰测试给大家分享过示波器进行电压测试的方法，如果要进行电流的测量，需要把电流量转换成电压量才能测量，今天安泰测试就给大家分享一下常用的把电流转换成电压量进行测量的方法：取样电阻、霍尔元件以及电磁感应几种方法。

取样电阻法

取样电阻的方法是在被测的电流路径上串接一个小的电阻（比如0.1欧姆或1欧姆），这样电流流过时就会产生压降。通过用差分探头测量取样电阻上的压降，再根据欧姆定律就可以计算出电阻上的流过电流。这种方法的优点是成本低、易于实现，但缺点是需要断开被测电路（或者在设计时就在电流路径 上串接取样电阻）并会产生额外压降。

取样电阻的测量方法不太适合有大电流动态变化的场合。比如有些消费电子的电路中，工作状态和待机状态的电流会有比较大的差异。假设被测电路的电流会在10mA~1A间变化，工作电压为1.5V。此时如果选择采样电阻为0.1欧姆，则在流过1A电流时已经会产生0.1V的压降，已经使得工作电压降为1.4V，大电流流过时有些器件可能已经无法正常工作；而当流过10mA电流时，采样电阻上的压降只有1mV，已经超出很多示波器本身能够分辨出的电压变化的极限。如果增大采样电阻阻值，则大电流时压降会越大；而如果减小采样电阻阻值，则小电流时越不容易分辨出来。因此如果被测电路的电流有比较大的变化范围，取样电阻的方法很难兼顾测量精度和压降的影响。

为了解决这个问题，有些示波器厂商提供了专门做小电流测量的探头。比如Keysight公司的N2820A探头提供了1个300倍增益的通道，可以把示波器的小信号测量能力从mV级扩展到uV级，并且还提供了双量程的测量通道，可以用两个通道同时测量大电流和小电流的变化。但要注意的是这个300倍增益的放大器只有3MHz的带宽，所以如果对于测量带宽有高要求的场合并不适用。

霍尔元件法

霍尔元件的方法是利用霍尔器件的磁电效应把被测电流路径感生出的磁场转换成电压进行测量。很多示波器厂商都提供基于霍尔效应的电流探头。

电流探头的前端有一个磁环，使用时这个磁环套在被测的供电线上。电流流过电线所产生的磁场就这个磁环收集到，磁环里的磁通量和电线上流过的电流成正比；同时磁环内部有一个霍尔传感器，可以检测磁通量，其输出电压和磁通量成正比。因此，电流探头的输出电压就和被测电线上流过的电流成正比，示波器通过测量探头的输出电压值就可以知道被测供电线上电流的大小。 典型电流探头的转换系数是0.1V/A或0.01V/A，即供电线上有1A的电流流过，电流探头的输出电压是0.1V或0.01V。下图是基于霍尔效应的电流探头的工作原理。

这种电流探头的主要好处是不用断开供电线就可以进行电流测量，同时由于其基于霍尔效应，所以同时可以进行直流和交流测量。电流探头的典型应用场合是系统功率测量、功率因子测量、开关机冲击电流波形测量等。电流探头的主要缺点在于其小电流的测量能力受限于示波器的底噪声，所以小电流测量能力有限。一般小于10mA的电流就很难测量到了。

由于通常的基于霍尔效应的电流探头最小的电流探测能力都在10mA左右，如果需要进行更小的或者更精确的小电流测量，有一个方法是把被测的供电线在电流探头上多绕几圈。由于霍尔器件感应到的磁通量和磁环路里电流的大小成正比，把供电线在电流探头上绕10圈就相当于把电流放大了10倍。下图是电流探头用于小电流信号测量的一个例子。

电磁感应法

还有一种电流测试的探头是基于电磁感应的，这种探头的工作原理类似于有些电工使用的钳形表，是利用电感线圈感应产生电流，并使感生电流流过负载产生电压来进行测量的。示波器里使用的这种感应探头灵敏度和带宽都可以做得比较高（带宽可以到2GHz或以上），但是由于是采用电感线圈感应的原理，所以无法用于直流及低频电流的测试（很多高频电磁感应探头的低频起始点在100KHz左右）。这种探头主要用于磁头驱动电流、ESD放电电流等对带宽要求比较高的场合。

比如一般的石英晶体振荡器都有驱动功率（Drive Level）的要求，这个指作用在石英晶体振荡器上用于起振并维持振荡的功率，过小可能会停振，过大则会造成振荡不稳定以及晶体的寿命衰减。驱动功率可以测量流过振荡器的电流，再乘上本身的等效内阻换算得到。下图是用这种电磁感应探头通过测量流过晶体振荡器的电流的例子。