一、嵌入式开发中的滤波器设计
什么是滤波器？
各种传感器信号多多少少会携带一些噪声信号，那么通过滤波器就能够更好的降低和去除噪声，还原真实有用信号。
滤波器是一个电路，其去除或“过滤掉”频率分量的特定范围。换句话说，它将信号的频谱分离为将要通过的频率分量和将被阻隔的频率分量。
如果您对频域分析没有太多经验，您可能仍然不确定这些频率成分是什么，以及它们如何在不能同时具有多个电压值的信号中共存。让我们看一个有助于澄清这个概念的简短例子。
假设我们有一个由完美的5kHz正弦波组成的音频信号。我们知道时域中的正弦波是什么样的，在频域中我们只能看到5kHz的频率“尖峰”。现在让我们假设我们激活一个500kHz振荡器，将高频噪声引入音频信号。
在示波器上看到的信号仍然只是一个电压序列，每个时刻有一个值，但信号看起来会有所不同，因为它的时域变化现在必须反映5kHz正弦波和高频噪音波动。
然而，在频域中，正弦波和噪声是在一个信号中同时存在的单独的频率分量。正弦波和噪声占据了信号频域表示的不同部分，这意味着我们可以通过将信号引导通过低频并阻挡高频的电路来滤除噪声。正弦波和噪声信号频域的不同部分分布示意图，如下。
滤波器的类型
滤波器可以放在与滤波器频率响应的一般特征相对应的广泛类别中。如果滤波器通过低频并阻止高频，则称为低通滤波器；如果它阻挡低频并通过高频，它就是一个高通滤波器。还有带通滤波器，其仅通过相对窄的频率范围，以及带阻滤波器，其仅阻挡相对窄的频率范围。各滤波器频域表示，如下图所示。
还可以根据用于实现电路的组件类型对滤波器进行分类。无源滤波器使用电阻器，电容器和电感器，这些组件不具备提供放大的能力，因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。另一方面，有源滤波器既可以滤波信号又可以应用增益，因为它包括有源元件，如晶体管或运算放大器，如下图。
这种有源低通滤波器基于流行的Sallen-Key拓扑结构
RC低通滤波器
为了创建无源低通滤波器，我们需要将电阻元件与电抗元件组合在一起。换句话说，我们需要一个由电阻器和电容器或电感器组成的电路。从理论上讲，电阻—电感（RL）低通拓扑在滤波能力方面与电阻—电容（RC）低通拓扑相当。但实际上，电阻—电容方案更为常见，因此本文的其余部分将重点介绍RC低通滤波器。RC低通滤波器示意图如下。
如图所示，通过将一个电阻与信号路径串联，并将一个电容与负载并联，可以产生RC低通响应。在图中，负载是单个组件，但在实际电路中，它可能更复杂，例如模数转换器，放大器或示波器的输入级，用于测量滤波器的响应。
如果我们认识到电阻器和电容器形成与频率相关的分压器，就可以直观地分析RC低通拓扑的滤波动作。重新绘制RC低通滤波器，使其看起来像分压器，如下图。
当输入信号的频率低时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗高；因此，大部分输入电压在电容器上（和负载两端，与电容器并联）下降。当输入频率较高时，电容器的阻抗相对于电阻器的阻抗较低，这意味着电阻器上的电压降低，并且较少的电压传输到负载。因此，低频通过并且高频被阻挡。
RC低通功能的这种定性解释是重要的第一步，但是当我们需要实际设计电路时它并不是很有用，因为术语“高频”和“低频”非常模糊。工程师需要创建通过并阻止特定频率的电路。例如，在上述音频系统中，我们希望保留5kHz信号并抑制500kHz信号。这意味着我们需要一个滤波器，从5kHz到500kHz之间的传递过渡到阻塞。
RC滤波器截止频率
滤波器不会引起显著衰减的频率范围称为通带，滤波器确实导致显着衰减的频率范围称为阻带。模拟滤波器，例如RC低通滤波器，总是从通带逐渐过渡到阻带。这意味着无法识别滤波器停止传递信号并开始阻塞信号的一个频率。然而，工程师需要一种方便，简洁地总结滤波器频率响应的方法，这就是截止频率概念发挥作用的地方。
当您查看RC滤波器的频率响应图时，您会注意到术语“截止频率”不是很准确。信号光谱被“切割”成两半的图像，其中一个被保留而其中一个被丢弃，不适用，因为随着频率从截止点下方移动到截止值以上，衰减逐渐增加。
RC低通滤波器的截止频率实际上是输入信号幅度降低3dB的频率（选择该值是因为幅度降低3dB对应于功率降低50％）。因此，截止频率也称为-3dB频率，实际上该名称更准确且信息量更大。术语带宽是指滤波器通带的宽度，在低通滤波器的情况下，带宽等于-3dB频率，如下图所示。
上图表示RC低通滤波器的频率响应的一般特性，带宽等于-3dB频率。
如上所述，RC滤波器的低通行为是由电阻器的频率无关阻抗与电容器的频率相关阻抗之间的相互作用引起的。为了确定滤波器频率响应的细节，我们需要在数学上分析电阻（R）和电容（C）之间的关系，我们还可以操纵这些值，以设计满足精确规格的滤波器。RC低通滤波器的截止频率（fC）计算如下：
来看一个简单的设计实例。电容值比电阻值更具限制性，因此我们将从常见的电容值（例如10nF）开始，然后我们将使用该公式来确定所需的电阻值。目标是设计一个滤波器，它将保留5kHz音频波形并抑制500kHz噪声波形。我们将尝试100kHz的截止频率，稍后在文章中我们将更仔细地分析此滤波器对两个频率分量的影响，公式如下。
因此，160Ω电阻与10nF电容相结合，将为我们提供一个非常接近所需频率响应的滤波器。
滤波器响应可视化
评估滤波器对信号影响的最方便方法是检查滤波器频率响应的图。这些图形通常称为波德图，在垂直轴上具有幅度（以分贝为单位），在水平轴上具有频率；水平轴通常具有对数标度，使得1Hz和10Hz之间的物理距离与10Hz和100Hz之间，100Hz和1kHz之间的物理距离相同等等。这种配置使我们能够快速准确地评估滤波器在很大频率范围内的行为。如下图，是频率响应图的一个例子。
曲线上的每个点表示如果输入信号的幅度为1V且频率等于水平轴上的相应值，则输出信号将具有的幅度。例如，当输入频率为1MHz时，输出幅度（假设输入幅度为1V）将为0.1V（因为-20dB对应于十倍减少因子）。
当您花费更多时间使用滤波器电路时，此频率响应曲线的一般形状将变得非常熟悉。通带中的曲线几乎完全平坦，然后随着输入频率接近截止频率，它开始下降得更快。最终，衰减的变化率（称为滚降）稳定在20dB/decade-即，输入频率每增加十倍，输出信号的幅度降低20dB。
评估低通滤波器性能
如果我们仔细绘制我们在本文前面设计的滤波器的频率响应，我们将看到5kHz时的幅度响应基本上是0dB（即几乎为零衰减），500kHz时的幅度响应约为-14dB（对应于0.2的增益）。这些值与我们在上一节中执行的计算结果一致。
由于RC滤波器总是从通带到阻带逐渐过渡，并且因为衰减永远不会达到无穷大，我们无法设计出“完美”的滤波器—即对正弦波没有影响并完全消除噪声的滤波器。相反，我们总是需要权衡。如果我们将截止频率移近5kHz，我们将有更多的噪声衰减，但我们想要发送到扬声器的正弦波也会衰减更多。如果我们将截止频率移近500kHz，我们在正弦波频率下的衰减会减少，但噪声频率下的衰减也会减少。
前面我们已经讨论了滤波器修改信号中各种频率分量振幅的方式。然而，除了振幅效应之外，电抗性电路元件总是引入相移。
低通滤波器相移
相位的概念是指周期内特定时刻的周期信号的值。因此，当我们说电路引起相移时，我们的意思是它会在输入信号和输出信号之间产生偏差：输入和输出信号不再在同一时刻开始和结束它们的周期。相移值（例如45°或90°）表示产生的偏差量。
电路中的每个电抗元件都会引入90°的相移，但这种相移不会同时发生。输出信号的相位与输出信号的振幅一样，随着输入频率的增加而逐渐变化。RC低通滤波器中有一个电抗元件（电容器），因而电路最终也会引入90°的相移。
与振幅响应一样，通过检查水平轴表示对数频率的曲线图，可以最容易地评估相位响应。以下描述表示了一般模式，查看下图可以进一步了解详细信息。
- 相移最初为0°
- 相移逐渐增加，直到在截止频率处达到45°，在这部分响应期间，变化率逐渐增加
- 在截止频率之后，相移继续增加，但变化率逐渐降低
- 随着相移逐渐接近90°，变化率变得非常小
实线是振幅响应，虚线是相位响应。截止频率为100kHz。注意，截止频率下的相移为45°。
二阶低通滤波器
到目前为止，我们假设RC低通滤波器由一个电阻器和一个电容器组成。这种配置是一阶滤波器。
无源滤波器的“阶数”由电路中电抗元件（即电容器或电感器）的数量决定。高阶滤波器具有更多的无功元件，会产生更多的相移和更陡的滚降，而后者是增加滤波器阶数的主要动机。
向滤波器添加一个电抗元件，例如，从一阶到二阶或二阶到三阶，便可将最大滚降增加20dB/十倍。
二阶滤波器通常围绕由电感器和电容器组成的谐振电路构建，这种拓扑结构称为RLC（Resistor-Inductor-Capacitor）。但是，也可以创建二阶RC滤波器。如下图所示，我们需要做的就是将两个一阶RC滤波器级联起来。
虽然这种拓扑肯定会产生二阶响应，但它没有被广泛使用，其频率响应通常不如二阶有源滤波器或二阶RLC滤波器。
二阶RC滤波器的频率响应
我们可以尝试根据所需的截止频率设计一阶滤波器，然后从中选择两个串联连接来，从而构成二阶RC低通滤波器。此举确实可以使滤波器表示出类似的总频率响应，最大滚降为40dB/decade而不是20dB/decade。
但是，如果我们更仔细地观察响应，我们会发现-3dB频率出现降低。二阶RC滤波器的行为不符合预期，因为两个滤波阶段不是独立的，因此不能简单地将这两个滤波器连接在一起，并将电路分析为一阶低通滤波器叠加一个相同的一阶低通过滤。
此外，即使我们在两级之间插入缓冲器，使得第一阶RC和第二阶RC可以用作独立滤波器，此时原始截止频率处的衰减将是6dB而不是3dB。这恰恰是因为两阶独立工作而导致的。第一个滤波器在截止频率处具有3dB的衰减，而第二个滤波器加上了另外3dB的衰减，如下图。
二阶RC低通滤波器的基本限制是设计人员无法通过调整滤波器的Q因子来微调从通带到阻带的转换；此参数表示频率响应的阻尼程度。如果将两个相同的RC低通滤波器级联，则整体传递函数对应于二阶响应，但Q因子始终为0.5。当Q=0.5时，滤波器处于过阻尼的边界，这会导致频率响应在过渡区域中“下垂”。二阶有源滤波器和二阶谐振滤波器没有这一限制；设计人员可以控制Q因子，从而微调过渡区域的频率响应。
总结
所有电信号都混合了所需频率分量和不需要的频率分量。不需要的频率分量通常由噪声和干扰引起，并且在某些情况下会对系统的性能产生负面影响。
滤波器是以不同方式对信号频谱的不同部分作出反应的电路。低通滤波器旨在让低频分量通过，同时阻止高频分量。
低通滤波器的截止频率表示滤波器从低衰减变为显著衰减的频率区域。
RC低通滤波器的输出电压可以通过将电路视为由（频率无关）电阻和（频率相关）电抗组成的分压器来计算。
振幅（以dB为单位，在垂直轴上）与对数频率（以赫兹为单位，在水平轴上）的曲线图是检查滤波器理论行为的方便有效的方法，还可以使用相位与对数频率的关系图来确定将要应用于输入信号的相移量。
二阶滤波器的滚降更陡峭；当信号不能在所需频率分量和不需要的频率分量之间提供宽带分离时，这种二阶响应比较有用。
可以通过构建两个相同的一阶RC低通滤波器，然后将一个的输出连接到另一个的输入来创建二阶RC低通滤波器，但最终整体的-3dB频率将低于预期。
二、二极管的钳位保护电路
二极管钳位是什么意思？
众所周知，二极管是一种由PN结制成的半导体，只要施加的电压大于结电压，电流就会流过二极管，在负偏压下，只要两端电压不超过击穿电压，二极管就会处于非导通状态。在这种状态下，二极管就像一个开路，因为反向偏置的 PN 结阻止电子流过。
而钳位二极管就是在电路中应用这两种特性来操纵输入电压，也就是说将输入输出信号波形的某一部分固定在选定电平的这个电路就被叫做钳位电路。
什么是二极管钳位电路？
二极管钳位电路用于将信号的正峰值或负峰值置于所需要的电平。直流分量被简单地添加到输入信号中或从输入信号中减去，钳位电路也被称为IC 恢复器和交流信号电平转换器。
在某些情况下，例如电视接收器，当信号通过电容耦合网络时，它会失去其直流分量。这是当使用钳位电路以将直流分量重新建立到信号输入中时。尽管在传输中丢失的直流分量与通过钳位电路引入的直流分量不同，但在某个参考电平上确定正或负信号偏移的极值的必要性很重要。
钳位电路也称为直流电阻，主要功能是将一些直流电平添加到输入交流信号中。下图中显示了钳位电路，它在输入交流信号中添加了一个正直流电平。
二极管钳位电路图详解
对于该电路的实际工作，假设波的负循环通过二极管。在信号二极管的负半部分处于正向偏置状态期间，由于钳位电路中的电容器充电至值 (Vp(in) – 0.7 V)，如上图所示。
二极管在信号的负峰值后变为反向偏置。这是由于阴极放置在接近电容充电值的Vp(in) – 0.7 V 附近。电荷可以通过负载电阻 R L释放其存储的电荷。因此，从一个负半周期到其他电容的信号变化会损失较少的电荷值，电荷的释放取决于负载电阻 R L。
如果电容在输入信号期间失去充电，则钳位动作可能会受到干扰。
如果时间常数 RC 是输入信号周期的一百倍，则钳位电路的效率会很高。
如果时间常数是输入信号周期的 10 倍，那么由于充电电流，它在接地电平上的变化（失真）会更小。
钳位电路的最终效果是电容器保持的电荷几乎等于输入信号的极值（峰值）减去二极管两端的电压降。电容提供的电压就像与输入信号串联的电池一样工作。电容提供的直流电压将与输入信号相加并叠加。如下图所示。
二极管钳位电路图详解
如果改变二极管的位置，那么负直流电压会与输入信号相加，以产生类似于下图所示的输出，这种类型的电路布置称为负钳位。
二极管负钳位电路
二极管钳位电路怎么使用？
对于钳位电路，至少需要三个元件——二极管、电容和电阻。有时还需要一个独立的直流电源来引起额外的转变。钳位电路的要点是：
1、波形的形状相同，但其电平向上或向下移动
2、由于钳位电路，波形的峰峰值或均方根值不会发生变化。因此，输入波形和输出波形将具有相同的峰峰值，即 2Vmax。还必须注意的是，交流电压表中的输入电压和钳位输出电压的读数相同
3、电阻 R 和电容 C 的值会影响波形
4、电阻 R 和电容 C 的值应由电路的时间常数方程 t = RC 确定。这些值必须足够大，以确保电容C 两端的电压在二极管不导通的时间间隔内不会发生显着变化。在一个好的钳位电路中，电路时间常数 t = RC 应该至少是输入信号电压时间周期的十倍。
二极管钳位电路原理
1、正钳位电路
在下图中，你可以看到正钳位电路的电路布置。该电路由电压源Vi、电容C、二极管和负载电阻组成。
二极管与负载电阻RL并联组合。由于这种安排，正钳位电路将允许在二极管处于反向偏置状态时通过输入波形，并在二极管处于正向偏置状态时停止输入信号流动。
正二极管钳位电路图
正输入半周期：当输入波形的负周期通过二极管时，它处于正向偏置状态，允许电流流过负载电阻。
由于这个电流电容被充电到输入波形的峰值V m 。电容的充电极性与二极管两端的信号极性相反。在达到极值点 -V m后，电容器保持存储的电荷，直到该点二极管处于正向偏置状态。
负输入半周期：当输入信号的正半部分通过二极管时，它处于反向偏置状态，没有电流流过二极管。因此，二极管输入信号上的零电流流向负载电阻。
在正循环期间，二极管不处于工作状态，因此电容释放其存储的电荷。因此，负载电阻两端的电压将由于输入源 V m提供的电荷存储和电压而增加电容器 V m两端的电压。(V o = V m + V m = 2V m )。这两个电压的极性也相似。结果，信号向上移动，发生在正钳位电路中。
2、负钳位电路
正输入半周期：当正循环通过电路时，二极管处于正向偏置状态，因为零信号跨过负载电阻。
由于二极管电流的正向偏置通过负载电阻。由于该电流，电容被充电到具有相反极性（-V m ）的输入信号的极值，并且该电荷一直保持到该二极管处于正向偏置状态。
负二极管钳位电路图
负输入半周期：当电路出现负循环时，二极管处于反向偏置状态，因此信号通过负载电阻退出。由于反向偏置电流不流过二极管。
因此来自输入源的电流流向负载电阻。在负半部分，二极管处于非工作状态，二极管上存储的电荷将消失。
因此，负载电阻两端的电压将是电容器两端的电压 -V m和输入源电压-V m的相加，即 (-2V m )。由于原始信号移动到 x 轴下方。
二极管偏置钳位电路
在某些电路中，需要对输入信号的直流电平进行额外的偏移。出于这些目的，使用了二极管偏置钳位电路。
偏置电路和无偏置电路之间的区别在于，在偏置电路中，额外的直流电源用于直流元件。
1、具有正偏置的正二极管钳位电路
如果电路中具有正偏置，则偏置钳位电路称为具有正偏置的正钳位电路。该电路具有直流电源或直流电源、负载电阻、电容和二极管。
正偏置的正二极管钳位电路
对于正输入半周期：当输入源的正周期穿过二极管时，当输入源的输入电压值小于直流电源时，与二极管相连的直流源使其处于正向偏置状态。
由于该电流电容也被充电。当输入源提供的电压大于直流源的电压时，电流停止流过二极管，因为二极管现在处于反向偏置状态。
对于负输入半周期：对于输入电源和直流电源的负半周期，二极管处于正向偏置状态。由于这个电流流过二极管。由于这个电流电容被充电。
2、带负偏置的正二极管钳位电路
对于负半周期：对于由电池引起的负半周期，如果电池电压大于输入电源，电压二极管将变为反向偏置。因此，负载电阻上会有信号出口。
如果电池电压低于输入电源电压，则电流将通过二极管，与反向偏置条件相反。该电流将为电容充电。
负偏置的正二极管钳位电路
对于正半周期：对于电池和输入源的正半周期，二极管处于反向偏置状态。因此信号将通过负载电阻退出。
负载电阻上的信号幅度等于输入源电压和电容器两端电压的叠加。
3、带正偏置的负二极管钳位电路
对于正半周期：对于正半部分，循环二极管由于电池电压而反向偏置，如果输入电压小于电池电压，则会发生这种情况。
当电池提供的电压小于输入源时，由于输入源的电压和电流通过二极管，二极管处于正向偏置状态。由于此电流，电容将被充电。
正偏置的负二极管钳位电路
对于负半周期：输入电源和电池的负半周期，二极管处于反向偏置状态。由于反向偏置信号在负载电阻上存在。
4、带负偏置的负二极管钳位电路
对于正半周期：对于直流电池的正半部分和电压源二极管都处于正向偏置状态。由于此电流将通过电容并充电。
负偏置的负二极管钳位电路
对于负半周期：对于负半周期，如果电池电压大于输入电压，则二极管处于正向偏置状态。
由于输入源电压的值大于电池二极管的电压，因此由于输入电压而处于反向偏置状态，现在信号通过负载电阻退出。
钳位二极管保护电路
钳位二极管保护电路：由两个反向串联的二极管组成。一次只能打开一个二极管，另一个处于关闭状态。结果，它的正向和反向压降将被钳位到二极管的正向导通。电压降在0.5-0.7以下，保护电路。
钳位电路的作用是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在一定的直流电平上。以常见的二极管钳位电路为例，假设输入信号，在零时刻，uO(0+)=+E，uO产生幅度为E的正跳变。
之后，在0到t1之间，二极管D导通，电容的充电电流C非常大，uC很快就等于E，导致uO=0。在 t1，ui(t1)=0，uO 再次出现幅度-E 跳跃。
在t1~t2期间，D关断，充电电容C只能通过R放电。通常R的值很大，导致uC下降很慢，uO变化很小。
在 t1 时，uI(t2) = E，uO 有幅度 E 的跳跃。在 t2 到 t3 期间，D 导通，电容器 C 充电。与0到t1期间不同，此时电容上储存了大量电荷，因此充电时间更短，uO降为零的速度更快。
稍后重复上述过程，uO和uC的波形。可以看出，uO的顶部基本被限制在零电平，所以该电路称为零电平正峰值（或顶部）钳位电路。
将二极管反向连接，将输入矩形波的底部钳位为零电平，形成零电平负峰值（或底部）钳位电路。
三极管钳位电路，如果把它的BE结也看成一个二极管，那么，就钳位原理而言，所示电路完全一样，只是电路也有放大作用。
二极管钳位电路取值
通常，钳位电路取决于电容时间常数的变化。时间常数应足以使电容器电压在整个非导通二极管期间不会显着放电。
应该选择电容和电阻的值，以使电路保持较高的时间常数。为了防止电容器快速放电，电阻值应该很高。
在整个二极管导通期间，电容充电应该是高速的。为此，我们选择较小的电容值。
二极管钳位电路的作用
1、使用钳位二极管的瞬态保护
钳位二极管不仅仅是为了改变电压基线。它们在缓解瞬态事件方面非常有用，尤其是ESD和雷电浪涌。例如，当输入电压高于 Vh 时，D1 正向偏置。因此，过多的电流流过 D1 而不是负载。限流电阻器通常放置在二极管之前，以确保后者在限制范围内工作。
钳位二极管瞬态保护电路
当输入电压降至 VL 以下时也是如此，这将激活 D2。通过将过多的电流从负载中引开并保持电压低于 Vh，二极管有助于防止瞬态电压损坏组件。
通常，选择具有较大电流处理能力、低结电压和快速导通时间的二极管用于 ESD 或浪涌保护。限流电阻器还必须能够在大量电流通过时禁用大量热量。
2、用于保护GPIO
GPIO的内部电路结构中使用了钳位二极管电路，如下图所示。它的作用是防止从外部I/O管脚输入的电压过高或过低对内部电路造成损坏。
如果从 Pin 输入的信号（假设任何输入信号都有一定的内阻）电压超过 VDD 加上上二极管的导通压降（驱动 0.7V），二极管就会导通，多余的电流会被拉到 VDD ,并且输入到内部的真实信号电压不会超过VDD+0.7V。
同样，如果从 Pin 输入的信号电压低于 VSS，由于下二极管的作用，实际输入的内部信号电压将被钳位在 VSS-0.7V 左右。
钳位二极管保护GPIO电路
GPIO的电路配置：GPIO的参考电源VDD由钳位二极管D1的阴极上拉，钳位二极管D2的阳极接GND。
当输出电压大于VDD时；D1导通，D2截止，Pin的电压为VDD（忽略二极管的导通压降）；
当输入电压小于 GND 时；D1关断，D2导通，Pin的电压为GND（忽略二极管的导通压降）；
因此，可以将输入电压范围控制在 [GND, VDD] 之间，以保护 Pin 不受损坏。如何判断GPIO是否损坏？方法如下：
首先将万用表调到二极管位置，红色表笔接到主板的GND，黑色表笔接到测试GPIO管脚。此时要测量二极管D2是否损坏。测试值为二极管的导通值，一般范围为0.4-0.6V。超出此范围是二极管击穿。
其次，将红色表笔连接到测试 GPIO 引脚，黑色表笔连接到 GND。此时要测量二极管D1是否损坏。
添加钳位二极管可以保护单片机的输入和输出端口。
如上图，添加两个肖特基二极管作为钳位二极管可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD；当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为钳位二极管。
3. 其他用途
钳位电路也经常用于各种显示装置。在示波器和雷达显示中，采用钳位电路来恢复扫描信号的直流分量，以解决扫描速度变化引起的屏幕上图像位置移动的问题。
在电视系统中，利用钳位电路将全电视信号的同步脉冲的顶部保持在一个固定的电压，以克服由于直流分量的丢失或干扰而引起的电平波动，从而实现信号的分离。
钳位二极管会产生钳位电压。它限制的对象可以是需要过压保护的对象，例如开关电源中的MOS管。需要一个钳位网络来限制 D 极和 S 极之间的电压，以保护 MOS 免受损坏。
扩展：二极管钳位保护电路
二极管钳位保护电路
此电路是二极管的钳位保护电路，使Vin电压被钳位在VCC与GND之间；具体的工作原理：
- 当Vin电压大于VCC时，显然D2二极管导通，D1二极管截止关闭，Vout输出的电压等于VCC+0.7V；
- 当Vin电压在VCC与GND之间时，则D1与D2二极管均截止关闭，Vout输出的电压等于Vin；
- 当Vin电压小于GND时，那么D1二极管导通，D2二极管截止关闭，Vout输出的电压等于GND-0.7V；
因此无论外界的输入电压Vin为多少，输出的电压Vout始终被钳位限定在VCC+0.7与GND-0.7之间，这样就保护Vout连接的后级电路，以免过压损坏其他元器件；
应用电路场景
1 单片机的IO引脚保护：如外部输入单片机内部的模拟量信号，为了防止模拟量信号过压冲击IO引脚内部电路，需要引入二极管的钳位保护电路；如果单片机内部已集成此保护电路，则可以直接省去；
单片机内部集成图
2 电平转换：在不同的电路系统中，如A电路系统是5V逻辑电平，B电路系统是3.3V逻辑电平，那么AB两个电路系统实现通信则需要逻辑电平转换，否则5V会损坏3.3V电源器件；此逻辑电平的转换就可以通过简单的二极管钳位电路便可以实现，无需额外增加芯片；
二极管电平转换电路
这些就是有关二极管的钳位保护电路应用，你现在学会了吗？是否还有更好的有关二极管电路设计应用，大家一起讨论交流吧。
三、STM32开发中的五大嵌入式系统
技术往往更新得非常快，并且总是让我们觉得学起来有难度而且有些迷茫。不过没有关系我们发烧友专注于在快乐中学习，要学习STM32，我们首先了解下五大嵌入式操作系统：μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS和RT-thread。
μClinux
μClinux是一种优秀的嵌入式Linux版本，从字面意思看是指微控制Linux。同标准的Linux相比，μClinux的内核非常小，但是它仍然继承了Linux操作系统的主要特性，包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的API，以及TCP/IP网络协议等。
μClinux操作系统的中断管理是将中断处理分为两部分：顶半处理和底半处理。在顶半处理中，必须关中断运行，且仅进行必要的、非常少、速度快的处理，其他处理交给底半处理;底半处理执行那些复杂、耗时的处理，而且接受中断。因为系统中存在有许多中断的底半处理，所以会引起系统中断处理的延时。
μClinux对文件系统支持良好，由于μClinux继承了Linux完善的文件系统性能，它支持ROMFS、NFS、ext2、MS-DOS、JFFS等文件系统。
μClinux最大特点在于针对无MMU处理器设计，这对于没有MMU功能的STM32F103来说是合适的，但移植此系统需要至少512KB的RAM空间，1MB的ROM/FLASH空间，而STM32F103拥有256K的FLASH，需要外接存储器，这就增加了硬件设计的成本。
μClinux结构复杂，移植相对困难，内核也较大，其实时性也差一些，若开发的嵌入式产品注重文件系统和与网络应用则μClinux是一个不错的选择。
μC/OS-II
μC/OS-II是在μC/OS的基础上发展起来的，是用C语言编写的一个结构小巧、抢占式的多任务实时内核。μC/OS-II能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点。
对于实时性的满足上，由于μC/OS-II内核是针对实时系统的要求设计实现的，所以只支持基于固定优先级抢占式调度;调度方法简单，可以满足较高的实时性要求。
μC/OS-II中断处理比较简单。一个中断向量上只能挂一个中断服务子程序ISR，而且用户代码必须都在ISR(中断服务程序)中完成。ISR需要做的事情越多，中断延时也就越长,内核所能支持的最大嵌套深度为255。
μC/OS-II是一个结构简单、功能完备和实时性很强的嵌入式操作系统内核，针对于没有MMU功能的CPU，它是非常合适的。它需要很少的内核代码空间和数据存储空间，拥有良好的实时性，良好的可扩展性能，并且是开源的，网上拥有很多的资料和实例，所以很适合向STM32F103这款CPU上移植。
eCos
eCos，即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活，采用模块化设计，核心部分由小同的组件构成，包括内核、C语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置)，使用eCos提供的配置工具可以很方便地配置，并通过不同的配置使得eCos能够满足不同的嵌入式应用要求。
eCos操作系统的可配置性非常强大，用户可以自己加入所需的文件系统。eCos操作系统同样支持当前流行的大部分嵌入式CPU，eCos操作系统可以在16位、32位和64位等不同体系结构之间移植。eCos由于本身内核就很小，经过裁剪后的代码最小可以为10 KB，所需的最小数据RAM空间为10 KB。
在系统移植方面 eCos操作系统的可移植性很好，要比μC/OS-II和μClinux容易。
eCos最大特点是配置灵活，并且支持无MMU的CPU的移植，开源且具有很好的移植性，也比较合适于移植到STM32平台的CPU上。但eCOS的应用还不是太广泛，还没有像μC/OS-II那样普遍，并且资料也没有μC/OS-II多。eCos适合用于一些商业级或工业级对成本敏感的嵌入式系统,例如消费电子领域中的一些应用。
FreeRTOS
由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对于μC/OS-II、 embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为6.0版。
作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要，STM32应用实例请移步此文:使用STM32CubeMx工具，写FreeRTOS的demo程序。
FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用 时间。
相对于常见的μC/OS-II操作系统，FreeRTOS操作系统既有优点也存在不足。其不足之处， 一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息。
另一方 面，FreeRTOS只是一个操作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP/IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统， 不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等无缝结合。
RT-thread
RT-Thread 是一款主要由中国开源社区主导开发的开源实时操作系统(许可证GPLv2)。实时线程操作系统不仅仅是一个单一的实时操作系统内核，它也是一个完整的应用系统，包含了实时、嵌入式系统相关的各个组件：TCP/IP协议栈，文件系统，libc接口，图形用户界面等。
四、MOS管的检测与代换
在修理电视机及电器设备时，会遇到各种元器件的损坏，MOS管也在其中，这就是我们的维修人员如何利用常用的万用表来判断MOS管的好坏、优劣。在更换MOS管是如果没有相同厂家及相同型号时，如何代换的问题。
MOS管的测试
作为一般的电器电视机维修人员在测量晶体三极管或二极管时，一般是采用普通的万用表来判断三极管或者二极管的好坏，虽然对所判断的三极管或二极管的电气参数没法确认，但是只要方法正确对于确认晶体三极管的“好”与“坏”还是没有问题的。同样MOS管也可以应用万用表来判断其“好”与“坏”,从一般的维修来说，也可以满足需求了。
检测必须采用指针式万用表（数字表是不适宜测量半导体器件的）。对于功率型MOSFET开关管都属N沟道增强型，各生产厂的产品也几乎都采用相同的TO-220F封装形式（指用于开关电源中功率为50—200W的场效应开关管），其三个电极排列也一致，即将三只引脚向下，打印型号面向自巳，左侧引脚为栅极，右测引脚为源极，中间引脚为漏极如图5-1所示。
图5-1
1）万用表及相关的准备：
首先在测量前应该会使用万用表，特别是欧姆档的应用，要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及MOS管（现在很多的从事修理人员，不会使用万用表，特别是万用表的欧姆挡，这绝不是危言耸听，问问他？他知道欧姆挡的R×1 R×10 R×100 R×1K R×10K，在表笔短路时，流过表笔的电流分别有多大吗？这个电流就是流过被测元件的电流。他知道欧姆挡在表笔开路时表笔两端的电压有多大吗？这就是在测量时被测元件在测量时所承受的电压）关于正确使用万用表欧姆挡的问题，可以参阅可以参阅“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗？”“可以参阅本博客“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗？”一文，因篇幅问题这里不再赘述。
用万用表的欧姆挡的欧姆中心刻度不能太大，最好小于12Ω（500型表为12Ω），这样在R×1挡可以有较大的电流，对于PN结的正向特性判断比较准确。万用表R×10K挡内部的电池最好大于9V，这样在测量PN结反相漏电流时比较准确，否则漏电也测不出来。
图5-2
现在由于生产工艺的进步，出厂的筛选、检测都很严格，我们一般判断只要判断MOS管不漏电、不击穿短路、内部不断路、能放大就可以了，方法极为简单：
采用万用表的R×10K挡；R×10K挡内部的电池一般是9V加1.5V达到10.5V这个电压一般判断PN结点反相漏电是够了，万用表的红表笔是负电位（接内部电池的负极），万用表的黑表笔是正电位（接内部电池的正极），图5-2所示。
2）测试步骤
把红表笔接到MOS管的源极S；把黑表笔接到MOS管的漏极D，此时表针指示应该为无穷大，如图5-3所示。如果有欧姆指数，说明被测管有漏电现象，此管不能用。
图5-3
保持上述状态；此时用一只100K～200K电阻连接于栅极和漏极，如图5-4所示；这时表针指示欧姆数应该越小越好，一般能指示到0欧姆，这时是正电荷通过100K电阻对MOS管的栅极充电，产生栅极电场，由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通，所以万用表指针偏转，偏转的角度大（欧姆指数小）证明放电性能好。
图5-4
此时在图5-4的状态；再把连接的电阻移开，这时万用表的指针仍然应该是MOS管导通的指数不变，如图5-5所示。虽然电阻拿开，但是因为电阻对栅极所充的电荷并没有消失，栅极电场继续维持，内部导电沟道仍然保持，这就是绝缘栅型MOS管的特点。如果电阻拿开表针会慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到无穷大，要考虑该被测管栅极漏电。
图5-5
这时用一根导线，连接被测管的栅极和源极，万用表的指针立即返回到无穷大，如图5-6所示。导线的连接使被测MOS管，栅极电荷释放，内部电场消失；导电沟道也消失，所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。
图5-6
MOS管的更换
在修理电视机及各种电器设备时，遇到元器件损坏应该采用相同型号的元件进行更换。但是，有时相同的元件手边没有，就要采用其他型号的进行代换，这样就要考虑到各方面的性能、参数、外形尺寸等，例如电视的里面的行输出管，只要考虑耐压、电流、功率一般是可以进行代换的（行输出管外观尺寸几乎相同），而且功率往往大一些更好。对于MOS管代换虽然也是这一原则，最好是原型号的最好，特别是不要追求功率要大一些，因为功率大；输入电容就大，换了后和激励电路就不匹配了，激励灌流电路的充电限流电阻的阻值的大小和MOS管的输入电容是有关系的，选用功率大的尽管容量大了，但输入电容也就大了，激励电路的配合就不好了，这反而会使MOS管的开、关性能变坏。所示代换不同型号的MOS管，要考虑到其输入电容这一参数。例如有一款42寸液晶电视的背光高压板损坏，经过检查是内部的大功率MOS管损坏，因为无原型号的代换，就选用了一个，电压、电流、功率均不小于原来的MOS管替换，结果是背光管出现连续的闪烁（启动困难），最后还是换上原来一样型号的才解决问题。
检测到MOS管损坏后，更换时其周边的灌流电路的元件也必须全部更换，因为该MOS管的损坏也可能是灌流电路元件的欠佳引起MOS管损坏。即便是MOS管本身原因损坏，在MOS管击穿的瞬间，灌流电路元件也受到伤害，也应该更换。就像我们有很多高明的维修师傅在修理A3开关电源时；只要发现开关管击穿，就也把前面的2SC3807激励管一起更换一样道理（尽管2SC3807管，用万用表测量是好的）。
五、MOSFET栅极电路的常见作用
MOSFET是一种常见的电压型控制器件，具有开关速度快、高频性能、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、安全工作区域(SOA)宽等一系列的优点，因此被广泛的应用于开关电源、电机控制、电动工具等各行各业。
栅极做为MOSFET本身较薄弱的环节，如果电路设计不当，容易造成器件甚至系统的失效，因此发这篇文章将栅极常见的电路整理出来供大家参考讨论，也欢迎大家提出自己的观点。
MOSFET栅极电路常见的作用有以下几点：
- 去除电路耦合进去的噪音，提高系统的可靠性。
- 加速MOSFET的导通，降低导通损耗。
- 加速MOSFET的关断，降低关断损耗。
- 降低MOSFET DI/DT，保护MOSFET同时抑制EMI干扰。
- 保护栅极，防止异常高压条件下栅极击穿。
- 增加驱动能力，在较小的信号下，可以驱动MOSFET。
上面是能想到的栅极电路的作用。
直接驱动
首先说一下电源IC直接驱动，下图是我们最常用的直接驱动方式，在这类方式中，我们由于驱动电路未做过多处理，因此我们进行PCB LAYOUT时要尽量进行优化。如缩短IC至MOSFET的栅极走线长度，增加走线宽度，尽量将Rg放置在离MOSFET栅极较进的位置，从而达到减少寄生电感，消除噪音的目的。
当然另一个问题我们得考虑，那就是PWM CONTROLLER的驱动能力，当MOSFET较大时，IC驱动能力较小时，会出现驱动过慢，开关损耗过大甚至不能驱动的问题，这点我们在设计时需要注意。
IC内部驱动能力不足时
当然，对于IC内部驱动能力不足的问题我们也可以采用下面的方法来解决。
这种增加驱动能力的方式不仅增加了导通时间，还可以加速关断时间，同时对控制毛刺及功率损耗由一定的效果。当然这个我们在LAYOUT时要尽量将这两个管子放的离MOSFET栅极较近的位置。这样做的好处还有减少了寄生电感，提高了电路的抗干扰性。
增加MOSFET的关断速度
如果我们单单要增加MOSFET的关断速度，那么我们可以采用下面的方式来进行。
关断电流比较大时，能使MOSFET输入电容放电速度更快，从而降低关断损耗。大的放电电流可以通过选择低输出阻抗的MOSFET或N沟道的负的截止的电压器件来实现，最常用的就是加加速二极管。
栅极关断时，电流在电阻上产生的压降大于二极管导通压降时，这时二极管会导通，从而将电阻进行旁路，导通后，随着电流的减小，二极管在电路中的作用越来越小，该电路作用会显著的减小MOSFET关断的延迟时间。
当然这个电路有一定的缺点，那就是栅极的电流仍然需要留过IC内部的输出驱动阻抗，这有什么办法解决呢？
下面来讲讲PNP加速关断驱动电路：
PNP加速关断驱动电路
再来谈以下PNP加速关断电路。
PNP加速关断电路是目前应用最多的电路，在加速三级管的作用下可以实现瞬间的栅源短路，从而达到最短的放电时间，之所以加二极管一方面是保护三级管基极，另一方面是为导通电流提供回路及偏置，该电路的优点为可以近似达到推拉的效果加速效果明显，缺点为栅极由于经过两个PN节，不能是栅极真正的达到0伏。
当源极输出为高电压时的驱动
当源极输出为高电压的情况时，我们需要采用偏置电路达到电路工作的目的，既我们以源极为参考点，搭建偏置电路，驱动电压在两个电压之间波动，驱动电压偏差由低电压提供，如下图所示。
当然，这个图有点问题，不知道有没有哪位大侠看出来？
其实问题就是“驱动电源”需要悬浮，要以MOS的源极共“地，给大家加深印象。
这个是正确的图纸，供各位参考：
满足隔离要求的驱动
为了满足安全隔离的要求或者提供高端浮动栅极驱动经常会采用变压器驱动。这种驱动将驱动控制和MOSFET进行了隔离，可以应用到低压及高压电路中去，如下图所示：
变压器驱动说白了就是隔离驱动，当然现在也有专门的驱动IC可以解决，但变压器驱动有自己的特点使得很多人一直在坚持用。
图中耦合电容的作用是为磁化的磁芯提供复位电压，如果没有这个电容，会出现磁饱和。
与电容串联的电阻的作用是为了防止占空比突然变化形成LC的震荡，因此加这个电阻进行缓解。
自举逆变图
下面上一个实际的自举逆变图，供参考：
六、示波器探头各种作用及工作原理
示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路，如下图：
图1示波器探头的作用
探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：
其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；
其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果
<1>、探头的负载效应
当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分：
1. 阻性负载效应；
2. 容性负载效应；
3. 感性负载效应。
图2探头的负载效应
阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。
图3探头的阻性负载
容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。
图4探头的容性负载
感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。
图5探头的感性负载
<2>、探头的类型
示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
无源探头细分如下：
1. 低阻电阻分压探头；
2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；
3. 高压探头
有源探头细分如下：
1. 单端有源探头；
2. 差分探头；
3. 电流探头
最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：
表1有源探头和无源探头对比
低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。
图6低输入电阻探头结构
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。
图7常用的无源探头结构
带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。
图8无源探头的补偿
高压探头是带补偿的无源探头的基础上，增大输入电阻，使得衰减加大（如：100:1或1000:1等)。因为需要使用耐高压的元器件，所以高压探头一般物理尺寸较大。
图9高压探头的结构
<3>、有源探头
我们先来观察一下用600MHz无源探头和1.5GHz有源探头测试1ns上升时间阶跃信号的影响。使用脉冲发生器产生一个1ns的阶跃信号，通过测试夹具后，使用SMA电缆直接连接到一个1.5GHz带宽的示波器上，这样示波器上会显示一个波形（如下图中的兰色信号），把这个波形存为参考波形。然后使用探头点测测试夹具去探测被测信号，通过SMA直连的波形因为受探头负载的影响而变成黄色的波形，探头通道显示的是绿色的波形。然后分别测试上升时间，可以看出无源探头和有源探头对高速信号的影响。
图10无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响
具体测试结果如下：
使用1165A 600MHz无源探头，使用鳄鱼嘴接地线：受探头负载的影响，上升时间变为：1.9ns；探头通道显示的波形存在振铃，上升时间为：1.85ns;
使用1156A 1.5GHz有源探头，使用5cm接地线：受探头负载的影响较小，上升时间仍为：1ns；探头通道显示的波形与原始信号一致，上升时间仍为：1ns。
单端有源探头结构图如下，使用放大器实现阻抗变换的目的。单端有源探头的输入阻抗较高（一般达100Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm输入阻抗。有源探头带宽宽（现在可达30GHz），而负载小，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围5V左右），比较脆弱，使用需小心。
图11有源探头结构
差分探头结构图如下，使用差分放大器实现阻抗变换的目的。差分探头的输入阻抗较高（一般达50Kohm以上），而输入电容较小（一般小于1pf)，通过差分探头放大器后连接到示波器，示波器必须使用50ohm 输入阻抗。差分探头带宽非常宽（现在可达30GHz），负载非常小，具有较高共模抑制比，但是价格相对较高（一般每根探头达到同样带宽示波器价格的10%左右)，动态范围也较小（这个需要注意，因为超过探头动态范围的信号，不能正确测试。一般动态范围3V左右），比较脆弱，使用需小心。
差分探头适合测试高速差分信号（测试时不用接地），适合放大器测试，电源测试，适合虚地测试等应用。
图12差分探头结构
电流探头也是有源探头，利用霍尔传感器和感应线圈实现直流和交流电流的测量。电流探头把电流信号转换成电压信号，示波器采集电压信号，再显示成电流信号。电流探头可以测试几十毫安到几百安培的电流，使用时需要引出电流线（电流探头是把导线夹在中间进行测试的，不会影响被测电路）。
电流探头在测试直流和低频交流时的工作原理：
当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相应地会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电动势。电流探头根据这个电动势产生一个反向（补偿）电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零，以防止饱和。电流探头根据反向电流测得实际的电流值。用这个方法，能够非常线性的测量大电流，包括交直流混合的电流。
图13电流探头测试直流和低频时的工作原理
电流探头在测试高频时的工作原理：
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。
图14电流探头测试高频时的工作原理
电流探头在交叉区域时的工作原理：
当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。
图15电流探头交叉区域的工作原理
<4>、有源探头附件
现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即：探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是：
1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；
2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）；同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；
3、这种设计方式容易实现高带宽。
图16探头附件
这些探头附件，主要包括以下几种：
1、点测探头附件（包括：单端点测和差分点测）；
2、焊接探头附件（包括：单端焊接和差分焊接，分离式的ZIF焊接）；
3、插孔探头附件；
4、差分SMA探头附件（示波器一般直接支持SMA连接，但是如果被测信号需要上拉如HDMI，则必须使用SMA探头附件）。
探头附件的电路结构如下图所示：
1、在探头附件尖端部分会有一对阻尼电阻（一般82ohm），这对阻尼电阻的作用是消除探头附件尖端部分的电感的谐振影响；
2、探头尖端部分的后面是25Kohm的电阻，这个电阻决定了探头的输入阻抗（直流输入阻抗即电阻：单端25Kohm，差分50Kohm），这个电阻使得被测信号传输到探头放大器部分的功率是非常小的，不至于对被测信号有较大影响。
3、25Kohm的电阻后面是同轴传输线部分，这个传输线负责把小信号传输到放大器。这个传输线的长度可以很长，也可以很短，中间可以加衰减器，也可以加耦合电容。
4、同轴传输线连接到放大器，放大器是50ohm匹配的（差分100ohm匹配）。
图17有源探头附件的结构
有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。
图18高低温探头结构原理
使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A 12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。
图19高低温探头在高低温下的频响
<5>、探头及附件准确度验证
下图是一个例子：被测信号是一个频率456MHz，边沿时间约65ps的时钟信号，分别使用不同类型的探头和探头附件的测试结果。
A图是使用12GHz的1169A差分探头和N5381A 12GHz焊接探头附件的测试结果，几乎完全复现被测信号；
B图是使用500MHz的无源探头的测试结果，显示的信号完全失真；
C图是使用12GHz的1169A差分探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号出现很大的过冲；
D图是使用4GHz的1158A单端探头和较长的测试引线的测试结果，显示的信号几乎是正弦波，失真较大。
图20不同探头附件测试结果对比
从图中可见探头和探头附件对测试精确度的影响是非常大的，是我们测试高速信号应该重点注意的内容之一。那我们应该如何验证探头和探头附件呢？
验证探头和探头附件需要使用一台脉冲码型发生器（如:81134A，3.35GHz速率，60ps边沿的脉冲码型发生器），如果示波器自带高速信号输出功能，也可以使用示波器的这个辅助输出口代替脉冲码型发生器（如: Infiniium示波器的AUX OUT端口可以发一个高速时钟：456MHz频率，约65ps边沿）。另外，需要同轴电缆和测试夹具（Infiniium示波器配置的探头校准夹具可以作为探头和探头附件验证测试夹具）。测试夹具的外表是地(Ground)，里面走线是信号(Signal)，如下图所示。使用时，通过同轴电缆把一端接到脉冲码型发生器或示波器的辅助输出AUX OUT端口，另外一端通过适配器连接到示波器的通道1上。
图21探头验证夹具
然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地（如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上）。
1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形；
2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；
3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；
4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。
图22探头验证连接和原理
下图是实际验证的一个例子，图A把示波器的AUX OUT通过同轴电缆连接到测试夹具，测试夹具的另一端通过SMA-PBNC适配器连接到示波器的一个通道上（此例连接到通道3），把探头连接到通道1上，此时调整屏幕上的波形，使得出现一个边沿阶跃波形，如图C所示，并把此波形存为参考波形。如图B把被验证探头和附件点测到测试夹具上，如图D所示，屏幕上出现3个波形，兰色的是参考波形，绿色的是受探头影响后的被测波形，黄色的是探头显示的波形，通过测试上升时间参数，过冲参数等，可确认探头和探头附件的性能。
图23探头验证实例
