示波器的差分信號測量

示波器的差分信號測量

初步介紹差分測量、放大器類型、應(yīng)用及怎樣避免常見錯(cuò)誤

當(dāng)存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪聲時(shí)，使用傳統(tǒng)示波器探頭不能測量模擬的4 mVp-p心跳波形（上圖）。差分放大器則可以從噪聲中提取信號。

引論
所有測量都是兩點(diǎn)測量
人們一直在一條電路的兩點(diǎn)之間測量電壓，不管是使用電壓表還是使用示波器。當(dāng)示波器探頭接觸電路中的一點(diǎn)時(shí)，即使沒有連接地線，通常也會在顯示器上出現(xiàn)波形。在這種情況下，測量的參考點(diǎn)是經(jīng)過示波器機(jī)箱的安全接地通往電路中的電氣地。
數(shù)字電壓表通過兩個(gè)探頭測量兩點(diǎn)之間的電位。由于這兩個(gè)探頭是彼此隔離的，因此這兩點(diǎn)可以位于電路中任何地方。但情況并不總是如此。在數(shù)字電壓表出現(xiàn)前，人們使用VOM（萬用表）手持式儀表測量“浮動(dòng)”電路。由于這些儀表是無源的，因此它們往往會給被測電路帶來負(fù)荷。使用高阻抗VTVM（真空管電壓表），可以執(zhí)行侵入性較小的測量。VTVM 有一個(gè)重大的局限性，即其測量總是以地為參考點(diǎn)。VTVM外殼接地，并連接到參考引線上。由于固態(tài)增益電路的問世，高性能電壓表可以與地線隔離，從而可以執(zhí)行浮動(dòng)測量。
目前的大多數(shù)示波器，如老式VTVM，只能測量以大地為參考點(diǎn)的電壓，地線則連接到示波器機(jī)箱上。這稱為“單端”測量，探頭地線提供了參考通路。遺憾的是，有時(shí)這種局限性會降低測量的完整性，或不可能進(jìn)行測量。

如果被測電壓位于兩個(gè)電路節(jié)點(diǎn)之間而且這兩點(diǎn)均未接地，那就不能使用傳統(tǒng)的示波器探測技術(shù)。常見的實(shí)例是測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動(dòng)信號（參見圖1）。
像普通電話線路中的那種平衡信號（在兩條引線之間，且沒有地回路）是不能直接測量的。我們將會看到，甚至某些“以地為參考”的信號也不能如實(shí)地使用單端技術(shù)來測量。

如果地線不成其為地線
我們都聽說過“接地環(huán)路”，書本上教我們避免“接地環(huán)路”。但接地環(huán)路是怎樣破壞示波器測量的呢？當(dāng)兩條或多條單獨(dú)的接地通路聚結(jié)于兩點(diǎn)或多點(diǎn)時(shí)，將會產(chǎn)生接地環(huán)路。其結(jié)果是導(dǎo)體連成了一個(gè)環(huán)。當(dāng)出現(xiàn)變化的磁場時(shí)，這個(gè)環(huán)就成了變壓器的次級，其本質(zhì)是一個(gè)短路線匝。在其附近傳送非直流電流的任何導(dǎo)體都可以產(chǎn)生激勵(lì)這個(gè)變壓器的磁場。主配線中的交流線電壓、甚至數(shù)字集成電路的輸出引線，都可能產(chǎn)生這種激勵(lì)。在環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內(nèi)任何阻抗的兩端產(chǎn)生電壓。這樣，在任何給定的瞬間，接地環(huán)路中的不同點(diǎn)將不處在同一電位。把示波器探頭的地線連接到被測電路的地上，如果電路“接地”到大地，就會形成接地環(huán)路（參見圖2）。循環(huán)電流作用在探頭通路內(nèi)部的阻抗上會在其中產(chǎn)生電壓電位。

圖1. 在測試點(diǎn)TP1 和TP2 之間測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動(dòng)信號。兩點(diǎn)都沒有接地。

圖2. 示波器探頭形成的接地環(huán)路。示波器的金屬機(jī)箱和被測器件連接到安全地和內(nèi)部電源公用線上。示波器探頭地則通過輸入端BNC 連接器連接到示波器機(jī)箱上。

這樣，示波器輸入端BNC 連接器上的“地”電位就不同于被測電路中的地電位（也就是說“地線不成其為地線”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達(dá)幾百毫伏。由于示波器以輸入端BNC 連接器外殼作為測量參考點(diǎn)，故顯示的波形可能并不代表探頭輸入端上的實(shí)際信號。當(dāng)被測信號的幅度下降時(shí)，誤差會變得更加明顯，這在傳感器和生物醫(yī)學(xué)測量中十分常見。
在這些情況下，人們經(jīng)常會去掉探頭的接地線。只有在測量頻率極低的信號時(shí)，這種方法才有效。在較高的頻率上，探頭開始在信號中增加因諧振電路（由觸點(diǎn)電容和屏蔽電感組成）產(chǎn)生的“環(huán)”（參見圖3）。(正因?yàn)槿绱耍肋h(yuǎn)要使用盡可能短的地線。)

圖3. 探頭觸點(diǎn)電容和接地電感形成的串聯(lián)諧振電路。

我們現(xiàn)在遇到了一種兩難的情況：造成接地環(huán)路，在測量中增加誤差；或去掉探頭地線，在波形中增加環(huán)！為了斷開接地環(huán)路而經(jīng)常試用的第二種方法是“浮動(dòng)”示波器或“浮動(dòng)”被測電路。“浮動(dòng)”是指在被測設(shè)備上或在示波器上使安全接地的導(dǎo)線開路從而斷開與大地的連接。浮動(dòng)示波器或浮動(dòng)被測設(shè)備（DUT）之后，便可利用短地線使環(huán)達(dá)到最小，而且不會產(chǎn)生接地環(huán)路。

這種作法本身具有危險(xiǎn)性，因?yàn)樵谥髋渚€發(fā)生短路時(shí)，它會使電擊保護(hù)措施失效。（某些專用電池操作的便攜式示波器采用絕緣材料，可以安全進(jìn)行浮動(dòng)測量。） 在嚴(yán)格接地的示波器（或被測設(shè)備）的電源線中放一個(gè)合適的接地故障斷路器（GFCI），可以恢復(fù)操作人員的安全。但要知道，如果沒有低阻抗的接地連接，示波器的放射輻射和傳導(dǎo)輻射現(xiàn)在可能會超過政府標(biāo)準(zhǔn)，也會給測量本身造成干擾。在較高的頻率上，斷開接地線也不可能打破接地環(huán)路，因?yàn)椤案?dòng)”電路實(shí)際上通過雜散電容耦合到大地（參見圖4）。