利用示波器和近場(chǎng)探頭進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試的操作指南

　　一、引言

　　在電子設(shè)備的研發(fā)、電磁兼容性(EMC)測(cè)試以及故障排查等工作中，對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量是非常重要的內(nèi)容。示波器與近場(chǎng)探頭的組合為磁場(chǎng)測(cè)量提供了一種有效的手段。本文將詳細(xì)介紹如何使用示波器和近場(chǎng)探頭來測(cè)試磁場(chǎng)。

　　二、測(cè)試原理

　　1.近場(chǎng)探頭工作原理

　　近場(chǎng)探頭是一種用于檢測(cè)近場(chǎng)電磁場(chǎng)的傳感器。對(duì)于磁場(chǎng)測(cè)量，近場(chǎng)探頭通常采用感應(yīng)線圈的形式。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比，即，其中E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),N為線圈匝數(shù)，Φ為磁通量。

　　不同類型的近場(chǎng)探頭在設(shè)計(jì)上會(huì)有不同的頻率響應(yīng)特性、靈敏度和方向性等。例如，環(huán)形近場(chǎng)探頭對(duì)于垂直于環(huán)平面的磁場(chǎng)分量較為敏感。

　　2.示波器工作原理

　　示波器是一種能夠顯示電信號(hào)隨時(shí)間變化波形的儀器。當(dāng)近場(chǎng)探頭檢測(cè)到磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)后，將該信號(hào)傳輸?shù)绞静ㄆ?。示波器通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、采樣、處理等操作，將信號(hào)的波形顯示在屏幕上。

　　示波器可以測(cè)量信號(hào)的幅度(對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)信息)、頻率、相位等參數(shù)。通過分析這些參數(shù)，可以獲取關(guān)于磁場(chǎng)的特性，如磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化規(guī)律、頻率成分等。

　　三、測(cè)試設(shè)備及準(zhǔn)備

　　1.設(shè)備清單

　　示波器：應(yīng)具備足夠的帶寬以滿足測(cè)試頻率范圍的要求。例如，對(duì)于測(cè)量高頻磁場(chǎng)(如GHz頻段)，需要使用帶寬較高的示波器，如帶寬為1 GHz或更高的數(shù)字示波器。

　　近場(chǎng)探頭：根據(jù)測(cè)試頻率和磁場(chǎng)類型選擇合適的近場(chǎng)探頭。對(duì)于低頻磁場(chǎng)(kHz - MHz范圍)，可以使用較大尺寸、匝數(shù)較多的環(huán)形探頭以提高靈敏度;對(duì)于高頻磁場(chǎng)，需要使用小型化、特殊設(shè)計(jì)的近場(chǎng)探頭，如高頻磁場(chǎng)探頭，其頻率響應(yīng)可達(dá)到數(shù)GHz。

　　被測(cè)設(shè)備(DUT)：需要測(cè)試磁場(chǎng)的電子設(shè)備或電路模塊。

　　必要的連接線：用于連接近場(chǎng)探頭和示波器，如BNC電纜等。

　　2.設(shè)備連接與設(shè)置

　　將近場(chǎng)探頭的輸出端口通過連接線連接到示波器的輸入通道。確保連接牢固，避免信號(hào)傳輸過程中的干擾。

　　打開示波器，根據(jù)測(cè)試信號(hào)的大致范圍設(shè)置示波器的垂直刻度(V/div)、水平刻度(s/div或ms/div等)、觸發(fā)模式等參數(shù)。

　　對(duì)于垂直刻度的設(shè)置，需要根據(jù)近場(chǎng)探頭的靈敏度和預(yù)期的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小進(jìn)行調(diào)整。如果不確定信號(hào)幅度，可以先從較大的刻度開始，然后根據(jù)實(shí)際顯示的波形再進(jìn)行優(yōu)化。

　　觸發(fā)模式可以選擇邊沿觸發(fā)等常見模式，設(shè)置合適的觸發(fā)電平，以確保示波器能夠穩(wěn)定地顯示波形。

　　四、磁場(chǎng)測(cè)試步驟

　　1.探頭定位

　　將近場(chǎng)探頭靠近被測(cè)設(shè)備中可能產(chǎn)生磁場(chǎng)的區(qū)域，如變壓器、電感線圈、電源線等部位。對(duì)于環(huán)形近場(chǎng)探頭，應(yīng)使探頭平面垂直于磁場(chǎng)方向以獲得最大的感應(yīng)信號(hào)。在定位過程中，可以緩慢移動(dòng)探頭，觀察示波器上波形的變化，以找到磁場(chǎng)最強(qiáng)的位置。

　　2.磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量

　　一旦找到合適的探頭位置，通過示波器測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值或有效值。根據(jù)近場(chǎng)探頭的校準(zhǔn)系數(shù)(通常由探頭制造商提供，單位為V/T或類似單位)，可以計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度。例如，如果示波器測(cè)量到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值為Epeak，近場(chǎng)探頭的校準(zhǔn)系數(shù)為k（V/T），則磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值。

　　3.磁場(chǎng)頻率分析

　　觀察示波器上波形的周期或頻率。如果波形是周期性的，可以使用示波器的自動(dòng)測(cè)量功能來獲取頻率值。這個(gè)頻率值反映了磁場(chǎng)的變化頻率，對(duì)于分析被測(cè)設(shè)備中的電磁干擾源或正常工作頻率下的磁場(chǎng)特性非常重要。例如，在開關(guān)電源中，磁場(chǎng)的頻率可能與開關(guān)頻率及其諧波相關(guān)。

　　4.磁場(chǎng)相位測(cè)量(可選)

　　如果需要分析磁場(chǎng)與其他電信號(hào)(如電壓信號(hào))之間的相位關(guān)系，可以使用示波器的雙通道功能。將近場(chǎng)探頭連接到一個(gè)通道，另一個(gè)相關(guān)電信號(hào)連接到另一個(gè)通道。然后通過示波器的相位測(cè)量功能來獲取磁場(chǎng)信號(hào)與電信號(hào)之間的相位差。這對(duì)于研究電磁耦合等現(xiàn)象很有幫助。

　　五、測(cè)試注意事項(xiàng)

　　1.避免干擾

　　在測(cè)試過程中，要盡量避免外界電磁場(chǎng)的干擾?？梢詫y(cè)試環(huán)境設(shè)置在屏蔽室內(nèi)，或者遠(yuǎn)離大型電機(jī)、變壓器等強(qiáng)電磁干擾源。同時(shí)，近場(chǎng)探頭的連接線也應(yīng)盡量短且避免與其他信號(hào)線平行敷設(shè)，以減少信號(hào)傳輸過程中的干擾。

　　2.探頭校準(zhǔn)

　　近場(chǎng)探頭需要定期校準(zhǔn)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)應(yīng)按照探頭制造商提供的校準(zhǔn)方法進(jìn)行，通常需要使用標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)源等設(shè)備。

　　3.示波器帶寬限制

　　要注意示波器的帶寬對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。如果測(cè)試的磁場(chǎng)頻率較高，而示波器帶寬不足，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量到的波形失真，無法準(zhǔn)確獲取磁場(chǎng)的高頻成分。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)試需求選擇合適帶寬的示波器。

　　六、結(jié)論

　　使用示波器和近場(chǎng)探頭測(cè)試磁場(chǎng)是一種方便、有效的方法。通過正確選擇設(shè)備、合理連接和設(shè)置，以及按照科學(xué)的測(cè)試步驟進(jìn)行操作，可以準(zhǔn)確地測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率、相位等特性。這對(duì)于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化、EMC性能提升以及故障診斷等方面都具有重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，不斷積累測(cè)試經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，能夠更好地發(fā)揮這種測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)。

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