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电流探头:操作原理

发布时间:2019-06-19 01:32 来源:未知 编辑:admin

  通过测量电缆上的共模电流(有时候也涉及到天线电流),可以帮助确定故障,并可以在研发实验室阶段就应用一些整改的措施。另外,在给定的电缆电流的情况下,产品是否能够通过相关的室内测试,您也可以据此进行估计,而且这种估计也比较准确。当您的测试时间已经非常紧张的时候,这将有助于您节省大量的产品整改的时间。我也会为您展示几种自制(DIY,do-it-yourself )探头的方法,这些方法做起来很快,而且在必要的时候也非常有效。

  图1. 电路回路中的共模电流。电路中的源是一个数字信号(带谐波),其负载被假定为阻性。因为远端导线上的相电流和近端导线上的相电流的流向是相同的,所以其合成相量相较于差模电流产生的相量会更大。在这种情况下,为了限制辐射发射的水平,降低谐波成分的大小(减慢数字信号的上升/下降时间)或者转移/限制共模电流是非常重要的

  射频电流探头是一个初级类型为插入式的射频电流变压器。即,当我们将探头夹在待测电流流经的导线或者电缆上的时候,这些导体就构成了变压器的初级线圈。这种探头的夹合特性使得它很容易被安置在任意导体或者电缆的四周。其本质就是一个宽带的高频变压器。利用电流探头,可以在不对电路造成物理影响的情况下,实现对电缆上的高频电流的测量。既然打算将电流探头夹合在导线 所示的变压器初级实际上就是待测共模电流流过的电导体本身。另外,因为共模电流被认为是流过导体后,再经过回流导体(例如:框架,共地面或者接地)返回到电源的,所以这个变压器的初级线圈通常被认为只有一匝。在某些电流探头的模型中,次级输出端内部接的是阻性负载,这样可以在一个很宽的频率范围内提供非常稳定的转移阻抗。

  尽管商业的电流探头的价格不菲,但其优势在于它可以在电缆四周进行打开和关合的操作,而无需将其穿到电缆上。如图3 所示。当然,如果将其与如下所示的自制探头(DIY)相比,商业电流探头会显得粗糙的多,弊端也不少。最后,这些探头的特性参数非常准确,这将允许它们被用于对电缆电流进行精确的测量。

  必要的时候,您也可以制作一个自己的电流探头。图4 和图5 中给出了各种自制的电流探头。典型的,我通常会找一个铁氧体的磁芯或者夹合磁芯,这些磁芯能够在从10MHz~1000MHz 的频率范围提供很好的高频特性。接下来您要做的全部工作就是在磁芯上绕制几圈(不需要太挑剔)线圈,然后端接一个同轴的连接头就可以了。绕制的导线 所示),这样能减小相邻线圈之间的电容,从而能够提供更好的高频特性。对夹合型铁氧体探头

  图4. 基于大螺旋管磁芯的自制电流探头(DIY)示例。这些图片是在探头的电场

  屏蔽结构被安装之前拍摄的。这种屏蔽结构由线圈外面包围的一层铜带构成,而且在螺旋管内侧还留了一圈小 间隙。图中使用的探头,将14圈特氟龙(聚四氟乙烯)绝缘的导线绕制在伍尔特电子(Wrth Electronik)的型号为#74270097的磁芯(材料为4W620)上,它在10MHz~1000MHz的频率范围都可以使用。

  图5. 基于夹合型铁氧体扼流环的自制电流探头示例。我曾经使用过一对Steward

  (现在已经变成了Laird Technologies的一个部门)的扼流环,其中一个是圆的

  (型号为28A3851- 0A2),另一个是方的(型号为28A2024-0A2)。对这两个探头而言,每一个都是在半个磁环上绕制7匝的特氟龙(聚四氟乙烯)绝缘的导线线圈,而且为了固定这些线圈,其内侧涂都抹了胶。后来,我又在线圈的外侧用环氧树脂胶合固定了一个原本用于印刷电路板的BNC连接头。在胶合固定的时候,要注意使用足够多的环氧树脂以保证线圈外部被固定在一起。使用的材料是28型,它在10MHz~1000MHz的频率范围都可以使用。

  通过将电流探头的输出电压(V,单位毫伏)除以电流探头的转移阻抗(ZT)就可以得到待测导体上的共模电流(Ic,单位mA)。

  我们可以通过让一个已知的射频电流(Ic)流过初级的待测导体,然后记录该电流流过50 负载所形成的电压(V),由此确定电流探头在整个频率范围内的典型转移阻抗。即

  Fischer 型号为F-33-1 的电流探头是一款常用的故障处理工具,它在从2MHz~250MHz 的频率范围内具有平的频率响应(如图6 所示)。其转移阻抗约为5(图中约为14dB),因此1A 的电流会让电流探头产生一个5V 的输出。

  在探头终端的电压测量值(V:dBV))和转移阻抗(ZT)已知的情况下,可以

  射频电流探头的精确校准是一个非常复杂的过程。其实,比所谓的校准更加准确的一种说法应该是确定电流探头的特性。我们必须正确的确定探头的特性,其过程要能够反映出用户使用探头的方式。探头的制造商通常会销售一种校准器具,其阻抗会保持为50。将50 的负载连接到电流探头的输出端,而其输入端则连接一个经过校准的射频信号发生器(或者网络分析仪)。将需要确定特性的探头夹合在校准器具上,一边测量探头的输出,一边扫描频率。

  我的测试设置虽然有点过原始化,但就故障排除的目的而言,它已经非常好了。其中,我在输出端口和串联的50 负载之间使用了一小段低阻抗的导线。我将信号发生器的输出调整到0dBm(一个非常方便计算的数值)。这相当于在50 的电阻上建立起224mV 的电压(或者73 dBA的电流)。其实,信号发生器实际输出的大小并不重要,只要它在探头上产生的输出电压足够大,大到能够在接收机和频谱分析仪上被显示出来就可以了。我用来监测探头输出的是Thurlby Thander TTi PSA2701T 的手持式频谱分析仪。

  如果知道了导线上的电流(单位是dBA)和探头的输出(单位是dBV),那么通过做减法V(dBV) ic(dBA)就可以得到转移阻抗的曲线图(单位是dB)。对这里的测试而言,就是zt(dB) = V(dBV) 73。虽然从教学的角度看,自制探头非常有用,但我并不倾向于使用自制的探头来预计是否能够通过测试,我会在后面就此进行说明。但是,因为从输出电压的角度来看,自制探头和商业探头的效果相当,所以我相信(实际中也得到了验证)自制探头完全适合用于故障处理。这时,您只需要知道电磁兼容设计的整改措施让电缆上的电流好转了还是恶化了。

  通过测量故障频率的共模来预测某特定电缆是否能够通过辐射发射测试的思路是可行的。即,从图6 中读取探头的转移阻抗Zt(dB),然后利用上式(2)求解计算得到ic。接着,将ic(安培)代入式(5)就可以计算出电场强度(V/m)了。式中,L 代表电缆的长度,单位为米,故障谐波频率为f,其单位为Hz。另外,表达式中的d 代表的是测试距离,要么取为3m,要么取为10m。由此,可以预测在相应测试距离下的测试结果。

  一旦确定某特定电缆的共模电流导致辐射发射测试不能通过,您应该检查一下连接头,即电缆连接到设备外壳的地方。之所以如此,是因为我经常发现连接头的屏蔽外壳与设备的屏蔽外壳之间的搭接不牢固甚至根本就没有搭接。这些地方必须搭接良好,以保证共模电流在设备内部就可以回流到源,从而避免引起电缆相应的电磁发射。就相关问题,请您参考我已经发表过的一篇文章,它会介绍更多有关辐射发射故障解决方法的信息。

  如前所述,造成辐射发射故障的最常见的原因在于产品框架与连接头的屏蔽外壳搭接不良。尤其是连接头本来就是被固定在电路板上的,它仅仅只是松散的穿出产品的屏蔽外壳,这种情况就更严重了。如果连接头的搭接不良,内部生成的共模电流就有可能被泄露,从而流到输入/ 输出端口的外部、鼠标或者键盘的电缆上。更糟糕的是,它还会将静电放电引入产品内部。如果这些电流被引导着流到了设备外壳以外,那么连接头上的电缆就会变成一个辐射天线m,所以其谐振频率通常约为300MHz)。

  这里介绍一个我工作中刚刚遇到的案例,它是一个新的数字示波器原型机。设备输入/ 输出端口上的连接器被完全焊接到了印刷电路板上,而印刷电路板则被牢固的固定到了设备外壳的背面,连接器也只是简单的从设备外壳背面的开口处突出出来。

  当我利用电流探头测量沿待测USB 电缆流出的共模电流的时候,我发现,只需要简单的用我的瑞士军刀里的螺丝刀把连接头搭接脚与设备框架金属外壳之间的缝隙塞紧,电缆电流就能整体下降10 分贝到15 分贝。

  上述问题的解决方法就是加工一个用户自定义的带簧片搭脚的薄垫片,把垫片套在所有的连接头上,从而在连接头的地层与设备外壳屏蔽层之间建立起牢固的搭接。现在有越来越多的低成本产品依靠固定在印刷电路板上的输入/ 输出端口的连接头,将其作为削减成本的一种方法。一旦发现这种问题,您最好仔细检查一下连接头的地层与设备屏蔽外壳之间的搭接情况。

  1. 当我们在利用电流探头评估电缆上的谐波的时候,如果前后挪动探头会改变谐波测量的数值,那么可能有一部分的耦合不是由传导造成,而是因为近场耦合。

  2. 当我们利用一对电流探头进行测试,每个探头分别测试两条电缆中的一条的时候,如果两个探头的谐波测量结果是相同的,那么谐波的源头就应该在两条电缆的中间。如果发现一条电缆的谐波测量结果更大,那么您就应该首先在相

  3. 如果对疑似偶极子天线两臂上的电流进行测试,那么您得到的两个读数应该是相同的。如果将两个疑似的天线臂同时穿入同一个电流探头,就会导致读数的剧烈下降,毕竟两天线臂上的电流是反向抵消的。

  4. 当我们测量视频电缆上的电流的时候,如果发现电缆的大幅度运动会导致测量结果的剧烈变化,那么耦合可能是感性的,否则就更可能是传导性的。

  5. 如果您怀疑是感性耦合,那么受到影响的部分的信号相位会相较源头发生180 度的变化。通过一个示波器和磁场探头或者电流探头就可以观察到这一点。您可以用示波器探头来尝试一下将示波器的触发和源进行同步的操作。

  我的同事,Doug Smith,还有更多示例,这些示例包括如何使用电流探头来测量电缆、印刷电路板的谐振、通过注入脉冲来排查故障、对共模电流相对相位的解释、静电放电故障的排查,等等。就此,您可以参考后面列出的文献

  图11. 当我们测量某个系统里的两条电缆的时候,如果发现谐波的测量结果接近

  于相等(点1和点2位置处的测量结果相同),那么故障的源头应该就位于待测设备的中间,两条电缆起到了类似偶极子天线的作用。您可能会注意到,谐波强度的测试结果会出现峰值,这个峰值出现的地方就位于两条电缆长度连接起来以后中间的位置。如果一侧或者另一侧的谐波电流的测量结果更大,那么您就应该在相应的电缆上排查故障。

  在故障排查的过程中,使用电流探头是非常关键的。通过电流探头可以发现电缆连接头搭接不良的问题,并进行整改。另外,我们也可以通过测量流过电缆的高频共模电流的大小来推算出连接到设备输入/ 输出端口的电缆所辐射出的电场。所有这些工作可以仅在设计人员的工作台面上来完成,也无需支付到第三方测试机构或者屏蔽室内进行测试的相关费用。

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