浮地測(cè)量和隔離輸入示波器設(shè)計(jì)指南

本應(yīng)用指南將介紹電源測(cè)量術(shù)語(yǔ)，闡述為進(jìn)行浮地測(cè)量提供的不同選項(xiàng)，重點(diǎn)介紹每種選項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　最苛刻的浮地測(cè)量要求源自電源控制電路，如馬達(dá)控制器、不間斷電源和工控設(shè)備。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電壓和電流可能會(huì)很大，足以給用戶和/或測(cè)試設(shè)備帶來(lái)危險(xiǎn)。在測(cè)量浮地高壓信號(hào)時(shí)，有許多選項(xiàng)可以考慮。每個(gè)選項(xiàng)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

　　差分測(cè)量與浮地測(cè)量比較

　　所有電壓測(cè)量都是差分測(cè)量。差分測(cè)量定義為兩點(diǎn)之間的電壓差。電壓測(cè)量分成兩類：

　　1. 參考地電平測(cè)量

　　2. 非參考地電平測(cè)量（也稱為浮地測(cè)量）

　　傳統(tǒng)示波器

　　大多數(shù)傳統(tǒng)示波器把“信號(hào)參考”端子連接到保護(hù)接地系統(tǒng)上，通常稱為“接地”。通過(guò)這種方式，所有應(yīng)用到示波器的信號(hào)或示波器提供的信號(hào)都會(huì)有一個(gè)公共連接點(diǎn)。

　　這個(gè)公共連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)箱，通過(guò)AC供電設(shè)備電源線中的第三條線接地，來(lái)保持在（或接近）零伏。這意味著每個(gè)輸入通道參考點(diǎn)都捆綁在一個(gè)接地參考源上。

　　不應(yīng)該使用傳統(tǒng)無(wú)源探頭，直接在參考地電平的示波器上進(jìn)行浮地測(cè)量。視流經(jīng)參考引線的電流數(shù)量，傳統(tǒng)無(wú)源探頭會(huì)開(kāi)始變熱；在電流足夠高時(shí)，它會(huì)類似熔絲那樣熔化斷開(kāi)。

　　浮地測(cè)量技術(shù)

　　為進(jìn)行高壓浮地測(cè)量提供的不同選項(xiàng)包括：

　　n隔離輸入示波器

　　n差分探頭

　　n電壓隔離裝置

　　n“A - B” 測(cè)量技術(shù)

　　n示波器“浮地”技術(shù)

　　術(shù)語(yǔ)表

　　共模信號(hào)

　　兩個(gè)輸入上共同的輸入信號(hào)成分（幅度和相位完全相同）。

　　共模范圍

　　差分放大器可以抑制的共模信號(hào)的最大電壓（從接地）。

　　共模抑制比

　　衡量差分放大器抑制共模信號(hào)能力的一個(gè)性能指標(biāo)。由于共模抑制一般會(huì)隨著頻率提高而下降，因此通常會(huì)指定特定頻率的CMRR。

　　差分模式或差模

　　差分放大器兩個(gè)輸入之間的不同信號(hào)。差模信號(hào)（VDM）可以表達(dá)為：

　　VDM = （V+input） - （V-input）

　　差模信號(hào)

　　兩個(gè)輸入之間不同的信號(hào)。

　　差分測(cè)量

　　兩點(diǎn)之間的電壓差。

　　差分探頭

　　為差分應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的探頭。有源差分探頭在探頭尖端包含一個(gè)差分放大器。無(wú)源差分探頭與差分放大器一起使用，可以進(jìn)行校準(zhǔn)，精確匹配兩條信號(hào)路徑中（包括參考引線）的DC和AC衰減。

　　浮地測(cè)量

　　任何一點(diǎn)都沒(méi)有參考地電平（地電位）的差分測(cè)量。

　　接地環(huán)路

　　當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的單獨(dú)接地路徑在兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)捆綁在一起時(shí)，會(huì)出現(xiàn)接地環(huán)路。結(jié)果是一個(gè)導(dǎo)體環(huán)路。在存在變化的磁場(chǎng)時(shí)，這個(gè)環(huán)路會(huì)變成變壓器的次級(jí)電路，作為短路線圈操作。附近承載非DC電流的任何導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，激發(fā)變壓器。許多導(dǎo)線、甚至數(shù)字IC輸出引線中的AC線路電壓都會(huì)產(chǎn)生這種激發(fā)作用。環(huán)路中循環(huán)的電流會(huì)在環(huán)路內(nèi)部任何阻抗中積聚電壓。這樣，在任何給定時(shí)點(diǎn)上，接地環(huán)路中的各個(gè)點(diǎn)都不會(huì)位于相同的AC電位。

　　把示波器探頭地線連接到被測(cè)電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路。作用在路徑內(nèi)部阻抗上的循環(huán)電流會(huì)導(dǎo)致電壓電位積聚在探頭接地路徑中。

　　這樣，示波器輸入BNC連接器上的“接地”電位與被測(cè)電路中的接地不同（即“此接地非彼接”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達(dá)幾百毫伏。由于示波器從輸入BNC連接器的外殼上參考測(cè)量，因此顯示的波形可能并不表示探頭輸入上的實(shí)際信號(hào)。隨著被測(cè)信號(hào)的幅度下降，誤差變得更加明顯。

　　“單一測(cè)量”

　　在使用AC線路電源及使用標(biāo)準(zhǔn)三線電源線操作時(shí)，帶有接地輸入通道、電池供電的示波器表現(xiàn)出來(lái)的局限性與傳統(tǒng)示波器一樣。然而，在使用電池操作時(shí)，這些示波器可以一次進(jìn)行高達(dá)30 VRMS的單一安全浮地測(cè)量。記住，所有輸入公共源都捆在一起

　　共享參考點(diǎn)和隔離通道結(jié)構(gòu)比較

　　大多數(shù)臺(tái)式示波器共享下面所示的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行多通道測(cè)量時(shí)，所有輸入信號(hào)必須有相同的電壓參考，共享的默認(rèn)參考是“大地”接地。如果沒(méi)有差分前置放大器或外部信號(hào)隔離器，這些臺(tái)式示波器則不適合進(jìn)行浮地測(cè)量。

　　與傳統(tǒng)臺(tái)式示波器結(jié)構(gòu)相比，這種隔離通道結(jié)構(gòu)中的電壓參考沒(méi)有在儀器內(nèi)部連接在一起。因此，使用的輸入的每個(gè)參考點(diǎn)必須連接到參考電壓上。獨(dú)立浮地隔離輸入仍由寄生電容耦合。這可能會(huì)發(fā)生在輸入?yún)⒖己铜h(huán)境之間，及手動(dòng)發(fā)生在輸入?yún)⒖键c(diǎn)之間。基于這一原因，建議把參考點(diǎn)連接到系統(tǒng)接地或另一個(gè)穩(wěn)定電壓上。如果輸入的參考點(diǎn)連接到高速和/或高壓信號(hào)上，那么您應(yīng)該了解寄生電容。

　　說(shuō)明

　　隔離輸入示波器測(cè)量采用IsolatedChannelÔ輸入結(jié)構(gòu)的示波器，如TPS2000B或THS3000系列，提供了真正的、完整的通道到通道和通道到電源線隔離能力。每條通道相互單獨(dú)隔離，同時(shí)與其它非隔離器件隔離。在使用IsolatedChannelÔ示波器進(jìn)行浮地測(cè)量時(shí)，必須使用專門設(shè)計(jì)的無(wú)源探頭，如TPP0201，進(jìn)行高達(dá)30 VRMS的浮地測(cè)量；或使用THP0301，進(jìn)行高達(dá)300 VRMS的浮地測(cè)量；或使用P5122/P5150探頭，進(jìn)行高達(dá)600 VRMS的浮地測(cè)量。與大多數(shù)傳統(tǒng)示波器使用的無(wú)源探頭不同，這些類型的探頭在BNC連接上絕緣，防止發(fā)生觸電；參考引線是為耐受額定浮地電壓而設(shè)計(jì)的。（如需更多信息，請(qǐng)參閱本應(yīng)用指南后面“注意類別和電壓”一節(jié)中的討論）

　　差分探頭測(cè)量通過(guò)使用差分探頭系統(tǒng)，可以通過(guò)泰克TDS/DPO/MSO和大多數(shù)其它接地示波器進(jìn)行浮地測(cè)量。某些差分探頭（如P6246、P6247、P6248和P6330）是為幅度較低的快速信號(hào)優(yōu)化的。其它探頭（如P5200A、P5205A和P5210A）則處理速度較慢、電壓幅度較高的信號(hào)。ADA400A差分前置放大器即使在高噪聲環(huán)境中，仍能顯示低頻率、超低幅度的差分信號(hào)。

電壓隔離器測(cè)量顧名思義，隔離器在浮地輸入與參考地電平輸出之間沒(méi)有直接的電氣連接。信號(hào)通過(guò)光學(xué)或分路光學(xué)/變壓器手段耦合。

　　“A - B”測(cè)量（也叫偽差分測(cè)量）“A - B”測(cè)量技術(shù)可以使用傳統(tǒng)示波器及無(wú)源電壓探頭，間接進(jìn)行浮地測(cè)量。一條通道測(cè)量“正”測(cè)試點(diǎn)，另一條通道測(cè)量“負(fù)”測(cè)試點(diǎn)。從第一個(gè)測(cè)量值中減去第二個(gè)測(cè)量值，去掉兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的公共電壓，以便觀察不能直接測(cè)量的浮地電壓。示波器通道必須設(shè)置成相同的伏特/格；探頭應(yīng)與示波器配套，使共模抑制比達(dá)到最大。

測(cè)量參考地電平電壓的兩只探頭實(shí)例

　　“浮地”傳統(tǒng)接地示波器使用不會(huì)把接地傳送到次級(jí)電路的隔離變壓器，或通過(guò)把示波器的AC市電電源線接地連接器，是一種常用的有風(fēng)險(xiǎn)的示波器浮地測(cè)量方式。

　　“浮地”參考地電平示波器把所有可以接觸的相同電壓的金屬（包括機(jī)箱、機(jī)殼和連接器）作為探頭參考引線連接的測(cè)試點(diǎn)。

　　浮地測(cè)量，危險(xiǎn)電壓發(fā)生在示波器機(jī)箱上。V1可能有幾百伏！

　　優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)

　　缺點(diǎn)

　　隔離輸入通道示波器為進(jìn)行浮地測(cè)量提供了一種安全可靠的方式。通道到通道隔離和通道到接地隔離的明顯好處是能夠同時(shí)觀察參考到不同電壓的多個(gè)信號(hào)。

　　另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在不增加專用探頭成本或昂貴笨重的電壓隔離器的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通道到電源線隔離消除了信號(hào)源接地與示波器之間的路徑。

　　與差分探頭不同，隔離輸入通道沒(méi)有提供均衡浮地測(cè)量。到接地的阻抗在尖端（+）輸入和參考（-）輸入之間是不同的。由于隔離通道的參考（-）輸入不象接地示波器那樣有默認(rèn)的參考電平，因此必須把探頭的參考引線連接到DUT的參考點(diǎn)上。

　　由于沒(méi)有到接地的分路，因此熒光燈和大樓布線放射的工頻場(chǎng)可能會(huì)在示波器讀數(shù)上導(dǎo)致更多的基線噪聲。使用平均采集模式會(huì)減輕這種基線噪聲提高。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　差分探頭為調(diào)整接地示波器進(jìn)行浮地測(cè)量提供了一種安全的方法。除安全性優(yōu)勢(shì)外，使用這些探頭可以改善測(cè)量質(zhì)量。差分探頭提供了均衡測(cè)量輸入電容，因此可以使用任意一條引線安全地探測(cè)電路中任何點(diǎn)。在比電壓隔離器更高的頻率上，差分探頭一般CMRR性能更好。

　　另一種優(yōu)點(diǎn)是全面利用示波器的多條通道，同時(shí)觀察多個(gè)信號(hào)，參考不同的電壓。

　　缺點(diǎn)

　　探頭仍有一條到接地的電阻路徑，因此如果電路對(duì)泄漏電流靈敏，那么差分探頭可能并不是最佳的解決方案。

　　其它缺點(diǎn)包括增加了一層成本，具體視示波器功能，可能要求獨(dú)立的電源，這增加了成本和體積。在出廠時(shí)，必須手動(dòng)確定每種測(cè)量的增益和偏置特點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　電壓隔離器為安全測(cè)量浮地電壓提供了一種手段，由于隔離器沒(méi)有到地的電阻路徑，因此對(duì)泄漏電流異常靈敏的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們是一個(gè)很好的選擇。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　電壓隔離器增加了一層成本。必須使用單獨(dú)的電源和隔離放大器箱。在出廠時(shí)必須為每一項(xiàng)測(cè)量手動(dòng)確定增益和偏置特點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　使用“A - B”測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，幾乎任何示波器和標(biāo)配探頭都可以簡(jiǎn)便地完成這一點(diǎn)。記住，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)必須參考地電平。因此，如果任意一個(gè)測(cè)試點(diǎn)都是浮地的，或如果整個(gè)系統(tǒng)都是浮地的，那么不適用這種方法。

　　缺點(diǎn)

　　在進(jìn)行“A - B”測(cè)量時(shí)，要使用兩條示波器通道。這種技術(shù)的主要限制是共模范圍相當(dāng)小，這源于示波器的垂直通道動(dòng)態(tài)范圍。一般來(lái)說(shuō)，其不到來(lái)自地電平的volts/division設(shè)置的10倍。在共模電壓大于差模電壓時(shí)，“A - B”測(cè)量技術(shù)可能會(huì)被認(rèn)為是從兩個(gè)大電壓中提取小的差異。這種技術(shù)適合共模信號(hào)的幅度與差模信號(hào)相同或低于差模信號(hào)，且共模成分是DC或低頻，如50 Hz或60 Hz電源線的應(yīng)用。在測(cè)量幅度適中的信號(hào)時(shí)，它從測(cè)量中有效消除了接地環(huán)路電壓。