示波器高壓差分探頭的了解及常見測量方法

　　1.概述

　　探頭的種類很多，其中高壓差分探頭在開關(guān)電源應(yīng)用中十分廣泛，然而很多工程師對差分探頭的理解不是很深刻，市場上差分探頭生產(chǎn)廠家也不少，性能指標各不相同，甚至相差甚遠，造成測出的波形也不盡相同，工程師無法看到正確波形。本文將主要講述什么是差分信號，差分信號的測量，高壓差分探頭的主要指標，優(yōu)缺點和相關(guān)使用技巧，以及高壓差分探頭在開關(guān)電源的典型應(yīng)用。

　　2.什么是差分信號

　　在講解差分探頭之前，先來了解差分信號。差分信號是互相參考，而不是參考接地的信號。例如，圖1開關(guān)電源中半橋上下開關(guān)管(Q1，Q2管)中電壓信號;圖2多相電源系統(tǒng)中電壓信號，以上信號在本質(zhì)上是“漂浮”在地之上。

　　3.差分信號的測量方法

　　目前差分信號的常見測量方法如下：

　　1)使用兩個探頭測量，再利用示波器數(shù)學(xué)運算功能計算，如圖3

　　使用兩個探頭進行兩項單端測量，這是一種常用方法，也是進行差分測量最不希望的方法。測量到地的信號(單端)及使用示波器的數(shù)學(xué)運算函數(shù)(通道A信號減去通道B)，就可測量差分信號。在信號時低頻信號，信號幅度足夠大，能夠超過任何擔(dān)心的噪聲情況下，可以采取這種方法。兩個單端測量組合在一起有多個潛在問題。其中一個問題是沿著每個探頭直到每條示波器通道有兩條單獨的長信號通路。這兩條通路之間的任何延時差都會導(dǎo)致兩個信號發(fā)生時間偏移。在高速信號上，這個偏移會導(dǎo)致計算的差分信號中發(fā)生明顯的幅度和定時誤差。另一個問題是它們不能提供足夠的共模噪聲抑制。實際電路中，共模噪聲源很多，比如說，附近時鐘線在兩條信號線上導(dǎo)致的噪聲，熒光等外部來源發(fā)出的噪聲。隨著頻率的提高，單端測量的CMMR(共模抑制比)的性能會迅速下降。如果保留共模干擾的話，這會導(dǎo)致信號的噪聲比實際的噪聲還要大的多。

　　2) 示波器浮地測量

　　目前常見的錯誤浮地測量方法就是示波器浮地測量方法，是通過切斷標準三頭AC插座地線的方法或使用一個交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護地線浮動起來，如圖4，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實并不可行，因為在建筑物的布線中中線也許在某處已經(jīng)與地線相連，是不安全的測量方法;此外，它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測量結(jié)果也差。而且示波器在地浮動時會出現(xiàn)一個大的寄生電容，浮動測量將受到振蕩的破壞，測量的波形失真嚴重，后續(xù)會有實例演示?？偠灾静ㄆ鞲〉販y量容易損壞被測器件;損壞示波器;給人身帶來潛在危害;測量誤差大。

　　3)差分測量

　　浮地測量的最佳解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因為兩個輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號的差分運算在探頭前端放大器完成，傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘柺且巡罘趾蟮碾妷?，示波器無需去掉三線插頭的接地端即可實現(xiàn)安全的浮地測量，如圖5。

　　4.差分探頭

　　常見的差分探頭中有一類是針對低壓信號的，在高速的數(shù)字電路中這種差分信號比較常見，這一類差分探頭的測量電壓常見的幅值是±8V，帶寬一般在1GHz以上;另一類是專門針對高壓測量的，測量電壓高達上KV，在開關(guān)電源測量中這種差分信號比較常見，這類差分探頭叫高壓差分探頭，測量電壓一般在KV級別，帶寬在20MHz—100MHz范圍內(nèi)比較常見。

　　差分探頭主要是針對浮地系統(tǒng)的測量。電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量三相供電中的火線與火線，或者火線與零(中)線的相對電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量兩點電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。這是因為：大多數(shù)示波器的“信號公共線”終端與保護性接地系統(tǒng)相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結(jié)果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號都具有一個公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼通過使用交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線地線，將探頭地線連到一個測試點上。如果這時使用單端探頭測量，那么單端探頭的地線與供電線直接相連，后果必然是短路。這種情況下，我們需要差分探頭進行浮地測量。

　　差分探頭3大重要指標：

　　帶寬 (通用)：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%

　　(-3 dB)的頻率，如圖6所示。在選擇示波器和示波器探頭時，要認識到帶寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。因此，為實現(xiàn)最大的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計劃測量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測量波形上升時間和下降時間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測量系統(tǒng)的上升時間時，系統(tǒng)的上升時間一般應(yīng)該比要測量的上升時間快4-5 倍。在開關(guān)電源領(lǐng)域，一般50MHz的帶寬就基本夠用了。

　　CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點共模信號信號的能力。這是差分探頭的關(guān)鍵指標，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信號的電壓增益。Ac = 共模信號的電壓增益。在理想情況下，Ad 應(yīng)該很大，而Ac 則應(yīng)該等于0，因此CMRR無窮大。在實踐中，10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共

　　CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點共模信號信號的能力。這是差分探頭的關(guān)鍵指標，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信號的電壓增益。Ac = 共模信號的電壓增益。在理想情況下，Ad 應(yīng)該很大，而Ac 則應(yīng)該等于0，因此CMRR無窮大。在實踐中，10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號，使其在輸出上顯示為0.5 毫伏。由于CMRR 隨著頻率提高而下降，因此指定CMRR 的頻率與CMRR 值一樣重要。CMRR對于測量全橋或者半橋電路的上管驅(qū)動波時，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類信號時的難點。如圖1中，上管GS驅(qū)動電壓很小，但是共模電壓很高，測量改點波形時，對差分探頭的CMRR要求比較高，后續(xù)將會有實例演示分析。

　　畸變：畸變是輸入信號預(yù)計響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個差分輸入線非常長，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個指標設(shè)計不好，那么測量的信號容易產(chǎn)生畸變。市場上不同廠家的差分探頭測出的結(jié)果可能不同，有的相差甚遠，這個指標就是其中原因之一。

　　當(dāng)然差分探頭還有輸入阻抗，輸入電容，精度，衰減系數(shù)等指標，市場上各個廠家差別不大，一般也不會出問題，所以這里就不一一介紹了。