示波器探頭基礎系列之五《為什么進行差分測量？》

記住這一點非常重要：任何時候示波器進行任何電壓測量都是在進行差分電壓測量。根據(jù)定義，電壓是測量兩點之間電位差。 使用電壓表的人很容易理解電壓是兩點之間電位差的概念：只使用一條電壓表的引線是不能測量電壓的，需要再將另一條引線連接到電壓的另外一點，以提供參考點。在使用示波器時，我們有時會忘了示波器上顯示的信號并不是簡單的“該點上的信號”，而實際上是該點上的電壓，因為它與另外某個點電位不同。

“有參考地”的測量

這個另外一的點通常是電路的地，一般假設其電壓為零。例如，我們假設想使

圖1：被測電路

圖2 使用示波器連接的被測電路

用示波器測量圖1中晶體管發(fā)射極的電壓(參考接地)。這看上去可能是一條簡單的電

路，但從圖2中我們可以看出，在我們包括了示波器探頭及示波器與電路之間的連接時，實際信號測量環(huán)境會變得很復雜。vA-B表示我們希望在示波器上顯示的晶體管發(fā)射極電壓波形。Zcircuit表示與晶體管發(fā)射極電阻R1并聯(lián)之后的等效阻抗。我們需要將一個點作為電路中的“理想地”，以便擁有穩(wěn)固的參考點。ZSCOPE GND是示波器電源線的接地線的阻抗。ZCOMMON是電路參考地和理想地之間的阻抗。iCOMMON表示其它的源(如連接被測電路的其它儀器)流經(jīng)ZCOMMON的電流(地環(huán)路的電流)，這個電流得到電壓VCOMMON。

示波器在屏幕上實際顯示的波形是示波器的輸入連接器導線的中心點的電位與連接器接地點的電位差的電壓波形VC-G。在大多數(shù)情況下，顯示的波形vC-G在很大程度上代表著探頭連接的被測電路兩點之間的電壓vA-B的信號。通過考察圖2中電路的各個部分，我們可以理解vC-G與vA-B存在差別的原因。

首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值為零，那么我們不需要使用探頭的地線，因為在電路參考地和示波器接地之間沒有電壓差，但是，這些值并不是零，因此我們必須在探頭上增加一個接地線，以并聯(lián)其效應。在探頭地線并聯(lián)iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效應時，它會有自己的電阻和電感，我們把這一阻抗稱為ZGND LEAD，它取決于地線的長度。部分電流必須流出被測電路，流入示波器輸入，以產(chǎn)生一個電壓波形，即為示波器測量出的電壓波形。流經(jīng)探頭地線阻抗ZGND LEAD產(chǎn)生壓降使vC-G不同于vA-B。為說明這種效應，圖3顯示了使用示波器及示波器探頭和不同的接地附件測量的方波。第一個波形是使用探頭針狀適配器測量的，它最大限度地降低了接地連接的長度。第二個波形和第三個波形是在探頭上使用了36cm (14")和58cm (23")的地線。在許多測量中，地線阻抗引起的信號損壞可能是可以接受的，但非常重要的一點是知道存在這種信號損壞。再看一下圖2，在iCOMMON流經(jīng)ZCOMMON時，它會形成我們稱為VCOMMON的電壓。如果沒有連接示波器探頭，vCOMMON表示相對于A點和B點的“共模”電壓，任一點上相對于“理想地”的電壓波形都將包括VCOMMON。B點等于vCOMMON，A點等于（vA-B+ VCOMMON）。通過在B點連接示波器探頭地線，我們可以降低但不能完全消除vCOMMON，其原因是ZGNDLEAD的值不可能是零。ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND構成一個環(huán)路，iCOMMON會流經(jīng)這個環(huán)路產(chǎn)生的電壓會進一步破壞波形vC-G。

圖3 探頭地線的影響

“沒有參考地”的測量

斷開示波器上的安全地，通?？梢越档蚷COMMON的影響。當vCOMMON電壓很大時，這種使用方法可能會非常危險，在任何情況下我們都嚴格禁止這樣做。斷開示波器的安全地并不能消除流經(jīng)ZGND LEAD的iCOMMON，因為ZSCOPE GND與示波器電源的變壓器副邊形成復雜的阻抗并聯(lián)，而示波器變壓器的寄生電容則與電源地線的阻抗ZPOWER TO GND串聯(lián)。我們使用的vCOMMON模型也可以解釋我們在進行“浮動”測量時通常會考慮的測量限制。我們假設vCOMMON是iCOMMON流過低阻抗電壓源的輸出，當測量浮地電源控制電路的電壓時，vCOMMON是電源線電壓。即使斷開安全地的做法沒有危險，流經(jīng)示波器變壓器的電容和電源線阻抗的iCOMMON仍會損害測量結果。 此外，與前面參考接地測量實例中一樣，流經(jīng)ZGNDLEAD的信號電流同樣也會損害信號。 另外，還有一個不太相關的問題：把示波器機殼浮地可能會使示波器電源的變壓器原邊線圈和副邊線圈之間產(chǎn)生超過其耐壓范圍的電壓，從而損壞示波器。