浮地測量和隔離輸入示波器設計指南

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

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

　　差分測量與浮地測量比較

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

　　1. 參考地電平測量

　　2. 非參考地電平測量（也稱(chēng)為浮地測量）

　　傳統示波器

　　大多數傳統示波器把“信號參考”端子連接到保護接地系統上，通常稱(chēng)為“接地”。通過(guò)這種方式，所有應用到示波器的信號或示波器提供的信號都會(huì )有一個(gè)公共連接點(diǎn)。

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

　　不應該使用傳統無(wú)源探頭，直接在參考地電平的示波器上進(jìn)行浮地測量。視流經(jīng)參考引線(xiàn)的電流數量，傳統無(wú)源探頭會(huì )開(kāi)始變熱；在電流足夠高時(shí)，它會(huì )類(lèi)似熔絲那樣熔化斷開(kāi)。

　　浮地測量技術(shù)

　　為進(jìn)行高壓浮地測量提供的不同選項包括：

　　n隔離輸入示波器

　　n差分探頭

　　n電壓隔離裝置

　　n“A - B” 測量技術(shù)

　　n示波器“浮地”技術(shù)

　　術(shù)語(yǔ)表

　　共模信號

　　兩個(gè)輸入上共同的輸入信號成分（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能力的一個(gè)性能指標。由于共模抑制一般會(huì )隨著(zhù)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。差模信號（VDM）可以表達為：

　　VDM = （V+input） - （V-input）

　　差模信號

　　兩個(gè)輸入之間不同的信號。

　　差分測量

　　兩點(diǎn)之間的電壓差。

　　差分探頭

　　為差分應用專(zhuān)門(mén)設計的探頭。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，精確匹配兩條信號路徑中（包括參考引線(xiàn)）的DC和AC衰減。

　　浮地測量

　　任何一點(diǎn)都沒(méi)有參考地電平（地電位）的差分測量。

　　接地環(huán)路

　　當兩個(gè)或兩個(gè)以上的單獨接地路徑在兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)捆綁在一起時(shí)，會(huì )出現接地環(huán)路。結果是一個(gè)導體環(huán)路。在存在變化的磁場(chǎng)時(shí)，這個(gè)環(huán)路會(huì )變成變壓器的次級電路，作為短路線(xiàn)圈操作。附近承載非DC電流的任何導體都會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，激發(fā)變壓器。許多導線(xiàn)、甚至數字IC輸出引線(xiàn)中的AC線(xiàn)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(xiàn)連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會(huì )產(chǎn)生接地環(huán)路。作用在路徑內部阻抗上的循環(huán)電流會(huì )導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，也可以高達幾百毫伏。由于示波器從輸入BNC連接器的外殼上參考測量，因此顯示的波形可能并不表示探頭輸入上的實(shí)際信號。隨著(zhù)被測信號的幅度下降，誤差變得更加明顯。

　　“單一測量”

　　在使用AC線(xiàn)路電源及使用標準三線(xiàn)電源線(xiàn)操作時(shí)，帶有接地輸入通道、電池供電的示波器表現出來(lái)的局限性與傳統示波器一樣。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30 VRMS的單一安全浮地測量。記住，所有輸入公共源都捆在一起

　　共享參考點(diǎn)和隔離通道結構比較

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

　　與傳統臺式示波器結構相比，這種隔離通道結構中的電壓參考沒(méi)有在儀器內部連接在一起。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)生在輸入參考和環(huán)境之間，及手動(dòng)發(fā)生在輸入參考點(diǎn)之間?；谶@一原因，建議把參考點(diǎn)連接到系統接地或另一個(gè)穩定電壓上。如果輸入的參考點(diǎn)連接到高速和/或高壓信號上，那么您應該了解寄生電容。

　　說(shuō)明

　　隔離輸入示波器測量采用IsolatedChannelÔ輸入結構的示波器，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(xiàn)隔離能力。每條通道相互單獨隔離，同時(shí)與其它非隔離器件隔離。在使用IsolatedChannelÔ示波器進(jìn)行浮地測量時(shí)，必須使用專(zhuān)門(mén)設計的無(wú)源探頭，如TPP0201，進(jìn)行高達30 VRMS的浮地測量；或使用THP0301，進(jìn)行高達300 VRMS的浮地測量；或使用P5122/P5150探頭，進(jìn)行高達600 VRMS的浮地測量。與大多數傳統示波器使用的無(wú)源探頭不同，這些類(lèi)型的探頭在BNC連接上絕緣，防止發(fā)生觸電；參考引線(xiàn)是為耐受額定浮地電壓而設計的。（如需更多信息，請參閱本應用指南后面“注意類(lèi)別和電壓”一節中的討論）

　　差分探頭測量通過(guò)使用差分探頭系統，可以通過(guò)泰克TDS/DPO/MSO和大多數其它接地示波器進(jìn)行浮地測量。某些差分探頭（如P6246、P6247、P6248和P6330）是為幅度較低的快速信號優(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。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。

電壓隔離器測量顧名思義，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。信號通過(guò)光學(xué)或分路光學(xué)/變壓器手段耦合。

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

測量參考地電平電壓的兩只探頭實(shí)例

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

　　“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（包括機箱、機殼和連接器）作為探頭參考引線(xiàn)連接的測試點(diǎn)。

　　浮地測量，危險電壓發(fā)生在示波器機箱上。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(guān)察參考到不同電壓的多個(gè)信號。

　　另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在不增加專(zhuān)用探頭成本或昂貴笨重的電壓隔離器的情況下實(shí)現這一點(diǎn)。通道到電源線(xiàn)隔離消除了信號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的參考電平，因此必須把探頭的參考引線(xiàn)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(xiàn)放射的工頻場(chǎng)可能會(huì )在示波器讀數上導致更多的基線(xiàn)噪聲。使用平均采集模式會(huì )減輕這種基線(xiàn)噪聲提高。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　差分探頭為調整接地示波器進(jìn)行浮地測量提供了一種安全的方法。除安全性?xún)?yōu)勢外，使用這些探頭可以改善測量質(zhì)量。差分探頭提供了均衡測量輸入電容，因此可以使用任意一條引線(xiàn)安全地探測電路中任何點(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(guān)察多個(gè)信號，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，可能要求獨立的電源，這增加了成本和體積。在出廠(chǎng)時(shí)，必須手動(dòng)確定每種測量的增益和偏置特點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　電壓隔離器為安全測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，因此對泄漏電流異常靈敏的應用來(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。必須使用單獨的電源和隔離放大器箱。在出廠(chǎng)時(shí)必須為每一項測量手動(dòng)確定增益和偏置特點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)

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

　　缺點(diǎn)

　　在進(jìn)行“A - B”測量時(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設置的10倍。在共模電壓大于差模電壓時(shí)，“A - B”測量技術(shù)可能會(huì )被認為是從兩個(gè)大電壓中提取小的差異。這種技術(shù)適合共模信號的幅度與差模信號相同或低于差模信號，且共模成分是DC或低頻，如50 Hz或60 Hz電源線(xiàn)的應用。在測量幅度適中的信號時(shí)，它從測量中有效消除了接地環(huán)路電壓。