示波器高壓差分探頭的了解及常見測量方法
2017-09-04 16:07:02 點(diǎn)擊：
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(biāo)各不相同，甚至相差甚遠(yuǎn)，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(biāo)，優(yōu)缺點(diǎn)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(gè)探頭測量，再利用示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算，如圖3
使用兩個(gè)探頭進(jìn)行兩項(xiàng)單端測量，這是一種常用方法，也是進(jìn)行差分測量ZUI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(yùn)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(shí)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(gè)單端測量組合在一起有多個(gè)潛在問題。其中一個(gè)問題是沿著每個(gè)探頭直到每條示波器通道有兩條單獨(dú)的長信號通路。這兩條通路之間的任何延時(shí)差都會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致計(jì)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，附近時(shí)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(huì)迅速下降。如果保留共模干擾的話，這會(huì)導(dǎo)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
目前常見的錯(cuò)誤浮地測量方法就是示波器浮地測量方法，是通過切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來，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?yàn)樵诮ㄖ锏牟季�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(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(yán)重，后續(xù)會(huì)有實(shí)例演示。總而言之，示波器浮地測量容易損壞被測器件；損壞示波器；給人身帶來潛在危害；測量誤差大。
3）差分測量
浮地測量的ZUIJIA解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因?yàn)閮蓚�(gè)輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號的差分運(yùn)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(shí)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(dá)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(diǎn)電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)示波器的“信號公共線”終端與保護(hù)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(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)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(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(jìn)行浮地測量。
差分探頭3大重要指標(biāo)：
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(shí)，要認(rèn)識(shí)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(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(xiàn)ZUIDA的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測量的ZUI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(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(shí)際轉(zhuǎn)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(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。ZUI常見的情況下，使用測量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測量的上升時(shí)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(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(biāo)，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(shí)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(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(biāo)，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(shí)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(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類信號時(shí)的難點(diǎn)。如圖1中，上管GS驅(qū)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(xù)將會(huì)有實(shí)例演示分析。
畸變：畸變是輸入信號預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)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(gè)差分輸入線非常長，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(yuǎn)，這個(gè)指標(biāo)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(biāo)，市場上各個(gè)廠家差別不大，一般也不會(huì)出問題，所以這里就不一一介紹了。
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(biāo)各不相同，甚至相差甚遠(yuǎn)，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(biāo)，優(yōu)缺點(diǎn)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(gè)探頭測量，再利用示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算，如圖3
使用兩個(gè)探頭進(jìn)行兩項(xiàng)單端測量，這是一種常用方法，也是進(jìn)行差分測量ZUI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(yùn)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(shí)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(gè)單端測量組合在一起有多個(gè)潛在問題。其中一個(gè)問題是沿著每個(gè)探頭直到每條示波器通道有兩條單獨(dú)的長信號通路。這兩條通路之間的任何延時(shí)差都會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致計(jì)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，附近時(shí)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(huì)迅速下降。如果保留共模干擾的話，這會(huì)導(dǎo)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
目前常見的錯(cuò)誤浮地測量方法就是示波器浮地測量方法，是通過切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來，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?yàn)樵诮ㄖ锏牟季�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(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(yán)重，后續(xù)會(huì)有實(shí)例演示。總而言之，示波器浮地測量容易損壞被測器件；損壞示波器；給人身帶來潛在危害；測量誤差大。
3）差分測量
浮地測量的ZUIJIA解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因?yàn)閮蓚�(gè)輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號的差分運(yùn)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(shí)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(dá)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(diǎn)電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)示波器的“信號公共線”終端與保護(hù)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(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)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(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(jìn)行浮地測量。
差分探頭3大重要指標(biāo)：
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(shí)，要認(rèn)識(shí)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(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(xiàn)ZUIDA的幅度測量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測量的ZUI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(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(shí)際轉(zhuǎn)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(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。ZUI常見的情況下，使用測量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測量的上升時(shí)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(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(biāo)，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(shí)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(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(biāo)，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(shí)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(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類信號時(shí)的難點(diǎn)。如圖1中，上管GS驅(qū)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(xù)將會(huì)有實(shí)例演示分析。
畸變：畸變是輸入信號預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)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(gè)差分輸入線非常長，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)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(yuǎn)，這個(gè)指標(biāo)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(biāo)，市場上各個(gè)廠家差別不大，一般也不會(huì)出問題，所以這里就不一一介紹了。
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