手摸示波器探棒-為何有弦波? 原因在這裡

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
手摸探棒 會在示波器上出現弦波

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
手摸示波器探棒時,會在螢幕上出現弦波

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
人體觸碰探針可以等效為偶極天線

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
觸碰探棒也可以等效為人體與電線之間的電容耦合

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。

因此,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!

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7 Comments

  1. 阿信助教 不好意思詢問一下,您使用的這種USB介面示波器可以透過電腦接地來消除60HZ的雜訊嗎?

  2. 開車測試與室內的比較非常地不公平,因為車體會有屏蔽效應,若硬要比較室內的干擾與戶外電線桿的干擾,開到較多佈線的室內停車場才比較公平。

    • 全程開車確實比較公平, 但這只是給大家看個趨勢而已, 不用太在意
      至於鐵盤是放在前擋玻璃正下方, 而且我前擋沒有貼隔熱, 也沒有金屬成分, 車體金屬也是浮接, 並沒有接地, 算是開放式的空間
      汽車板金厚度也遠小於60Hz的集膚深度, 基本上起不了太多屏蔽效果

  3. 看完此文章想到個人經驗是有時路過老舊低樓層(3~5樓)公寓,會聽到1樓的門鈴喇叭會悠悠的透出疑似是廣播的聲音,請問是否也是因為門鈴連接至各樓層的電線也變成了某種低效的天線而收到廣播了呢?

    • 我自己沒遇過, 但不能說沒機會發生, 就算發生也只有AM電台才有機會, FM解調複雜不可能。
      只是電路板線圈和電容的共振頻率要剛好符合 電台頻率, 這也需要一些巧合
      如果你聽到的是AM的廣播, 那或許是真的等效出收音機了
      如果你聽到的是FM廣播, 那可能是有人聽廣播, 串音竄過來的

    • 這也讓我想到我的經驗,真空管擴大機如果在運作時,剛好附近有地下電台,可能電路剛好和電台訊號共振,喇叭不時會放出微微的賣藥廣告聲音XD

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