【實作實驗室】手摸示波器探棒為何有弦波?

作者:實作派 Lab

本篇文章解釋電線的天線效應以及電源的耦合效應,並進行實測,帶您了解為何手指觸碰示波器會產生弦波。

使用示波器時,若用手摸示波器探棒,螢幕上會出現弦波狀的波形,這是為什麼呢?人體並不會產生訊號,探棒本身也沒有接地啊!這個現象是正常的嗎?

如下圖,這就是我的手觸碰示波器探棒針尖的狀況,螢幕呈現出充滿雜訊的弦波。如果你有測量過這個弦波的頻率,你會發現它是 60Hz,這不就跟我們的市電頻率是一樣的嗎?沒錯,你看到的現象絕對跟市電 110V/60Hz 有關。

手摸探棒 會在示波器上出現弦波(圖片來源:實作派提供)

阿信助教接著就來解釋這個現象,在後面的實驗中,我刻意使用 USB 介面的示波器,用來接示波器的筆電,也刻意不插電源,因為我要驗證 60Hz 的交流電源是否會干擾示波器,所以我不能讓示波器與變壓器電源有任何直接接觸,不然之後會分不出來弦波是哪個來源造成的。

手摸示波器探棒的場景

為了分析這個現象,我在下面畫了一個場景圖,手摸探棒的針尖會形成 60Hz 弦波波形,這裡的示波器我故意先不接地,後面會比較好解釋,旁邊還畫一個電線杆,上面的交流電線就是我們這次要研究的干擾源。

手摸示波器探棒時,會在螢幕上出現弦波(圖片來源:實作派提供)

電源的天線效應

為什麼說示波器上的 60Hz 是電線杆上的電線來的呢?因為當人體觸碰探棒針尖時,人體就等同於一個大型的天線,若此時身邊有高壓電桿經過,或是有伸手可及的插座迴路,這些電線所輻射出來的電磁波就會透過人體傳送到示波器內。

如下圖,我把場景修改一下,可能各位會比較好懂。當人體觸碰探棒針尖時,會等效出偶極天線 Dipole antenna 的其中一極(黑色部分),而探棒的接地極雖然是空接,但它與示波器的金屬外殼是接在一起的,這會等效出偶極天線 Dipole antenna 的另一極(綠色部分)。於是這個偶極天線就形成了,它便能接收附近的電磁波訊號,由於台電的電源頻率是 60Hz,因此我們就能看到 60Hz 的波形,如果你在歐洲做這個實驗,你就會看到 50Hz,因為他們的電源規格是採用 50Hz 的頻率。

人體觸碰探針可以等效為偶極天線(圖片來源:實作派提供)

若將示波器的金屬外殼接地,它就變成另一種形式的天線,稱為單極天線 Monopole antenna,形式不同但還是天線。雖然天線理論可以解釋弦波出現的現象,但這個等效出來的天線我必須說它的效率是非常非常差的,真正的天線尺寸必須要考慮到訊號的波長,以市電來說 60Hz 的波長大約是 5000KM,就算是一般 1/4 波長的天線長度也需要 1250 公里。

所以嚴格說起來這個等效天線應該要稱為短偶極天線 Short dipole antenna,由於波長與天線長度落差太大,所以能量傳送的效率很差。雖然以人體等效出來的天線雖然效率很差,但示波器還是可以感應到 60Hz 的波形,只是無法拿來做 60Hz 的通訊。

當然,空間中除了 60Hz 電源的電磁波之外,還有各種電器發出不同頻率的電磁波,因此手碰探棒時通常會看到有雜訊的 60Hz 弦波,那些雜訊其實有些是其他電器發出的電磁波加進來的,基本上仍以電源 60Hz 感應的振幅最大,因為它的電線延伸範圍最廣最長,而且電壓也最高。

電源的耦合效應

除了天線理論可以解釋弦波為何會出現在示波器之外,我們也可以將交流電線與人體之間視為一個等效電容,我把場景再度修改如下圖,就更清楚了。

觸碰探棒也可以等效為人體與電線之間的電容耦合(圖片來源:實作派提供)

雖然畫成電路符號電容只是一對小小的平行線,但實際上人體與交流電線之間的空間全部都是電容的範圍,所以電線越長或人體的表面積越大則等效的電容越大,此時電容的容抗就會越小,而示波器的輸入阻抗固定是 1M ohm,經過分壓計算,示波器所得到的波形電壓就會變大。

實際上路測量探虛實

講了半天到底是不是我講的這樣?總是要驗證一下,現在網路資訊取得方便,相對地資訊品質也容易低落,對於任何資訊我們一定要經過思辨再來決定是否要相信它。

於是我就把 USB 示波器帶著,配上筆電開車上山去,試看看在沒有電線杆的地方,60Hz 的弦波是否會消失?為了能夠一邊開車一邊紀錄波形變化,我還帶了個鐵盤當作天線,影片在下面大家一起來看看吧!

根據實測結論就是 60Hz 確實是由電線杆上的高壓電感應過來的,其實不一定要用手指觸碰探棒才會有 60Hz 波形,只要接上大型的金屬物品都會有相同的效果,例如:梯子、金屬桌腳、鐵窗等。

高壓電的感應相對很小

我發現到一個很奇妙的現象,就是戶外的高壓電線 11.4KV 或 22.8KV 讓示波器感應到的振幅竟然遠小於家裡的 110V!主要的原因是高壓電線都是架在很高的地方,而室內的 110V 電線大部分都在你我的身邊,所以造成了室內的 110V 反而會讓你感應到更高的電壓。至於特高壓的 345KV 我沒有試,這種電塔通常比較不好接近,我先以日常會遇到的高壓為主。

感應到的電壓會不會觸電?

既然人體是一種感應天線,那會不會讓人觸電呢?放心好了,一般情況不會觸電的。除非你拿個很長的金屬在幾十萬伏特的電塔下,才有機會有觸電感,我們是波器的探棒天線是開路,只會感應電壓,電流非常非常小。

示波器能夠感應到 60Hz 是因為它擁有高輸入阻抗 1M Ohm,若輸入端加上個訊號源,示波器就看不到 60Hz 電源了,因為加入訊號源之後,它便與示波器的 input 形成迴路,此時就不會只有感應電壓,而是也會產生很小的感應電流,它會被訊號源的內電阻很快地消耗掉,通常訊號源的內電阻很低,通常是 50 ohm、75 ohm 或者以電源來說甚至接近零歐姆。

用手指測試示波器是否正常

雖然人體感應出來的弦波很醜有雜訊,看起來好像沒甚麼實用價值,但實際上並非如此。我個人有幾次很掉漆的經驗,就是不小心把示波器的 coupling 檔位設定為 GND,因此後續所做的每項測試全都沒有波形,後來覺得很怪,於是想到可以利用人體當天線來接受 60Hz 電源訊號,於是就把手指放上探針理當要有波形,結果當然是一放見分曉,原來是自己設定錯了。

小結

若需要快速驗證示波器是否正常動作,可以利用自己當訊號產生器做驗證,但切記一定要移開原本的訊號源,才能維持高輸入阻抗。所以看似無用的感應現象,其實也可以很有用喔!

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:葉于甄)

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實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
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