示波器高壓差分探頭的了解及常見(jiàn)測量方法

　　1.概述

　　探頭的種類(lèi)很多，其中高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源應用中十分廣泛，然而很多工程師對差分探頭的理解不是很深刻，市場(chǎng)上差分探頭生產(chǎn)廠(chǎng)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(wú)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(diǎn)和相關(guān)使用技巧，以及高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源的典型應用。

　　2.什么是差分信號

　　在講解差分探頭之前，先來(lái)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(kāi)關(guān)電源中半橋上下開(kāi)關(guān)管(Q1，Q2管)中電壓信號;圖2多相電源系統中電壓信號，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(jiàn)測量方法如下：

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

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

　　2) 示波器浮地測量

　　目前常見(jiàn)的錯誤浮地測量方法就是示波器浮地測量方法，是通過(guò)切斷標準三頭AC插座地線(xiàn)的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線(xiàn)與地線(xiàn)的連接。將示波器從保護地線(xiàn)浮動(dòng)起來(lái)，如圖4，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并不可行，因為在建筑物的布線(xiàn)中中線(xiàn)也許在某處已經(jīng)與地線(xiàn)相連，是不安全的測量方法;此外，它違反了工業(yè)健康和安全規定，且獲得的測量結果也差。而且示波器在地浮動(dòng)時(shí)會(huì )出現一個(gè)大的寄生電容，浮動(dòng)測量將受到振蕩的破壞，測量的波形失真嚴重，后續會(huì )有實(shí)例演示?？偠灾?，示波器浮地測量容易損壞被測器件;損壞示波器;給人身帶來(lái)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(gè)輸入端都不存在接地的問(wèn)題，兩路輸入信號的差分運算在探頭前端放大器完成，傳輸到示波器通道的信號是已差分后的電壓，示波器無(wú)需去掉三線(xiàn)插頭的接地端即可實(shí)現安全的浮地測量，如圖5。

　　4.差分探頭

　　常見(jiàn)的差分探頭中有一類(lèi)是針對低壓信號的，在高速的數字電路中這種差分信號比較常見(jiàn)，這一類(lèi)差分探頭的測量電壓常見(jiàn)的幅值是±8V，帶寬一般在1GHz以上;另一類(lèi)是專(zhuān)門(mén)針對高壓測量的，測量電壓高達上KV，在開(kāi)關(guān)電源測量中這種差分信號比較常見(jiàn)，這類(lèi)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范圍內比較常見(jiàn)。

　　差分探頭主要是針對浮地系統的測量。電源系統測試中經(jīng)常要求測量三相供電中的火線(xiàn)與火線(xiàn)，或者火線(xiàn)與零(中)線(xiàn)的相對電壓差，很多用戶(hù)直接使用單端探頭測量?jì)牲c(diǎn)電壓，導致探頭燒毀的現象時(shí)有發(fā)生。這是因為：大多數示波器的“信號公共線(xiàn)”終端與保護性接地系統相連接，通常稱(chēng)之為“接地”。這樣做的結果是：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(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機殼通過(guò)使用交流電源設備電源線(xiàn)中的第三根導線(xiàn)地線(xiàn)，將探頭地線(xiàn)連到一個(gè)測試點(diǎn)上。如果這時(shí)使用單端探頭測量，那么單端探頭的地線(xiàn)與供電線(xiàn)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(jìn)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導致輸出幅度下降到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(shí)，要認識到帶寬在許多方面影響著(zhù)測量精度。在幅度測量中，隨著(zhù)正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì )變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì )作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測量。因此，為實(shí)現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(shí)間和下降時(shí)間。波形轉換沿(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，導致顯示的轉換慢于實(shí)際轉換速度。為精確地測量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測量系統必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。最常見(jiàn)的情況下，使用測量系統的上升時(shí)間時(shí)，系統的上升時(shí)間一般應該比要測量的上升時(shí)間快4-5 倍。在開(kāi)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(gè)測試點(diǎn)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 應該很大，而Ac 則應該等于0，因此CMRR無(wú)窮大。在實(shí)踐中，10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著(zhù)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(gè)測試點(diǎn)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 應該很大，而Ac 則應該等于0，因此CMRR無(wú)窮大。在實(shí)踐中，10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著(zhù)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(zhù)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動(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類(lèi)信號時(shí)的難點(diǎn)。如圖1中，上管GS驅動(dòng)電壓很小，但是共模電壓很高，測量改點(diǎn)波形時(shí)，對差分探頭的CMRR要求比較高，后續將會(huì )有實(shí)例演示分析。

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

　　當然差分探頭還有輸入阻抗，輸入電容，精度，衰減系數等指標，市場(chǎng)上各個(gè)廠(chǎng)家差別不大，一般也不會(huì )出問(wèn)題，所以這里就不一一介紹了。