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

 

1. 參考地電平測量

 

2. 非參考地電平測量（也稱為浮地測量）

 

 

大多數(shù)傳統(tǒng)示波器把“信號參考”端子連接到保護接地系統(tǒng)上，通常稱為“接地”。通過這種方式，所有應(yīng)用到示波器的信號或示波器提供的信號都會有一個公共連接點。

 

這個公共連接點通常是示波器機箱，通過AC供電設(shè)備電源線中的第三條線接地，來保持在（或接近）零伏。這意味著每個輸入通道參考點都捆綁在一個接地參考源上。

 

不應(yīng)該使用傳統(tǒng)無源探頭，直接在參考地電平的示波器上進(jìn)行浮地測量。視流經(jīng)參考引線的電流數(shù)量，傳統(tǒng)無源探頭會開始變熱；在電流足夠高時，它會類似熔絲那樣熔化斷開。

 

 

■為進(jìn)行高壓浮地測量提供的不同選項包括：

 

■隔離輸入示波器

 

■差分探頭

 

■電壓隔離裝置

 

■“A - B” 測量技術(shù)

 

■示波器“浮地”技術(shù)

 

 

兩個輸入上共同的輸入信號成分（幅度和相位完全相同）。

 

 

差分放大器可以抑制的共模信號的最大電壓（從接地）。

 

 

衡量差分放大器抑制共模信號能力的一個性能指標(biāo)。由于共模抑制一般會隨著頻率提高而下降，因此通常會指定特定頻率的CMRR。

 

 

差分放大器兩個輸入之間的不同信號。差模信號（VDM）可以表達(dá)為：

 

VDM = （V+input） - （V-input）

 

 

兩個輸入之間不同的信號。

 

 

兩點之間的電壓差。

 

 

為差分應(yīng)用專門設(shè)計的探頭。有源差分探頭在探頭尖端包含一個差分放大器。無源差分探頭與差分放大器一起使用，可以進(jìn)行校準(zhǔn)，精確匹配兩條信號路徑中（包括參考引線）的DC和AC衰減。

 

 

任何一點都沒有參考地電平（地電位）的差分測量。

 

 

當(dāng)兩個或兩個以上的單獨接地路徑在兩個或兩個以上的點捆綁在一起時，會出現(xiàn)接地環(huán)路。結(jié)果是一個導(dǎo)體環(huán)路。在存在變化的磁場時，這個環(huán)路會變成變壓器的次級電路，作為短路線圈操作。附近承載非DC電流的任何導(dǎo)體都會產(chǎn)生磁場，激發(fā)變壓器。許多導(dǎo)線、甚至數(shù)字IC輸出引線中的AC線路電壓都會產(chǎn)生這種激發(fā)作用。環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內(nèi)部任何阻抗中積聚電壓。這樣，在任何給定時點上，接地環(huán)路中的各個點都不會位于相同的AC電位。

 

把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產(chǎn)生接地環(huán)路。作用在路徑內(nèi)部阻抗上的循環(huán)電流會導(dǎo)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(dá)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際信號。隨著被測信號的幅度下降，誤差變得更加明顯。

 

 

把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產(chǎn)生接地環(huán)路。　　

 

 

在使用AC線路電源及使用標(biāo)準(zhǔn)三線電源線操作時，帶有接地輸入通道、電池供電的示波器表現(xiàn)出來的局限性與傳統(tǒng)示波器一樣。然而，在使用電池操作時，這些示波器可以一次進(jìn)行高達(dá)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

 

 

大多數(shù)臺式示波器共享下面所示的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行多通道測量時，所有輸入信號必須有相同的電壓參考，共享的默認(rèn)參考是“大地”接地。如果沒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(tǒng)臺式示波器結(jié)構(gòu)相比，這種隔離通道結(jié)構(gòu)中的電壓參考沒有在儀器內(nèi)部連接在一起。因此，使用的輸入的每個參考點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。這可能會發(fā)生在輸入?yún)⒖己铜h(huán)境之間，及手動發(fā)生在輸入?yún)⒖键c之間?；谶@一原因，建議把參考點連接到系統(tǒng)接地或另一個穩(wěn)定電壓上。如果輸入的參考點連接到高速和/或高壓信號上，那么您應(yīng)該了解寄生電容。

 

　

 

 

采用IsolatedChannelÔ輸入結(jié)構(gòu)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隔離能力。每條通道相互單獨隔離，同時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，必須使用專門設(shè)計的無源探頭，如TPP0201，進(jìn)行高達(dá)30 VRMS的浮地測量；或使用THP0301，進(jìn)行高達(dá)300 VRMS的浮地測量；或使用P5122/P5150探頭，進(jìn)行高達(dá)600 VRMS的浮地測量。與大多數(shù)傳統(tǒng)示波器使用的無源探頭不同，這些類型的探頭在BNC連接上絕緣，防止發(fā)生觸電；參考引線是為耐受額定浮地電壓而設(shè)計的。（如需更多信息，請參閱本應(yīng)用指南后面“注意類別和電壓”一節(jié)中的討論）

 

 

通過使用差分探頭系統(tǒng)，可以通過泰克TDS/DPO/MSO和大多數(shù)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。

 

 

顧名思義，隔離器在浮地輸入與參考地電平輸出之間沒有直接的電氣連接。信號通過光學(xué)或分路光學(xué)/變壓器手段耦合。

 

 

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

 

測量參考地電平電壓的兩只探頭實例

 

 

使用不會把接地傳送到次級電路的隔離變壓器，或通過把示波器的AC市電電源線接地連接器，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）作為探頭參考引線連接的測試點。

 

　

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

 

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觀察參考到不同電壓的多個信號。

 

另一個優(yōu)點是能夠在不增加專用探頭成本或昂貴笨重的電壓隔離器的情況下實現(xiàn)這一點。通道到電源線隔離消除了信號源接地與示波器之間的路徑。

 

缺點

 

與差分探頭不同，隔離輸入通道沒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(rèn)的參考電平，因此必須把探頭的參考引線連接到DUT的參考點上。

 

由于沒有到接地的分路，因此熒光燈和大樓布線放射的工頻場可能會在示波器讀數(shù)上導(dǎo)致更多的基線噪聲。使用平均采集模式會減輕這種基線噪聲提高。

 

優(yōu)點

 

差分探頭為調(diào)整接地示波器進(jìn)行浮地測量提供了一種安全的方法。除安全性優(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安全地探測電路中任何點。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)點是全面利用示波器的多條通道，同時觀察多個信號，參考不同的電壓。

 

缺點

 

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。在出廠時，必須手動確定每種測量的增益和偏置特點。

 

優(yōu)點

 

電壓隔離器為安全測量浮地電壓提供了一種手段，由于隔離器沒有到地的電阻路徑，因此對泄漏電流異常靈敏的應(yīng)用來說，它們是一個很好的選擇。

 

缺點

 

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。在出廠時必須為每一項測量手動確定增益和偏置特點。

 

優(yōu)點

 

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

 

缺點

 

在進(jìn)行“A - B”測量時，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(dāng)小，這源于示波器的垂直通道動態(tài)范圍。一般來說，其不到來自地電平的volts/division設(shè)置的10倍。在共模電壓大于差模電壓時，“A - B”測量技術(shù)可能會被認(rèn)為是從兩個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電源線的應(yīng)用。在測量幅度適中的信號時，它從測量中有效消除了接地環(huán)路電壓。

 

優(yōu)點

 

盡管浮地設(shè)備是一種利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行浮地測量，消除頻率較低的信號上接地環(huán)路的方法，但它是一種不安全的、危險的作法，不應(yīng)采用這種方法。

 

缺點

 

不管是從示波器上的升壓角度（對操作人員可能會發(fā)生電擊），還是由于地波器變壓器絕緣裝置上累積的應(yīng)力，這種技術(shù)都是危險的。這種應(yīng)力可能不會立即導(dǎo)致故障，但即使示波器恢復(fù)到正確接地操作，將來仍可能會導(dǎo)致發(fā)生危險故障（電擊和危險）。

 

在較高的頻率上，切斷接地可能不會中斷接地環(huán)路，因為電源線供電的儀器在接地以上浮地時會表現(xiàn)出大的寄生電容。振鈴可能會破壞浮地測量。浮地示波器沒有均衡輸入。參考一側(cè)（探頭上的“接地”夾）有一個明顯的到地電容。參考點連接的任何源阻抗將在快速共模跳變中加載，使信號發(fā)生衰減。更糟糕的是，高電容可能會損壞某些電路。連接逆電器上方門中共用的示波器可能會使門驅(qū)動信號速度下降，防止被測器件關(guān)閉，防止破壞輸入橋接器。這種故障通常伴隨著工作臺上出現(xiàn)小的火花。

 

另一個缺點是其一次只能進(jìn)行一項測量。記住，所有輸入?yún)⒖级枷嗷ダ壴谝黄?。一旦浮地一個輸入?yún)⒖?，所有輸入?yún)⒖棘F(xiàn)在都在同一水平上浮地。

 

寄生電感和電容導(dǎo)致的振鈴使信號失真，使測量無效

 

 

TPS2000B系列把泰克經(jīng)過驗證的臺式示波器性能與專為測量工用電池操作的產(chǎn)品設(shè)計的4條隔離通道結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。這種儀器與選配的電源捆綁套件（TPS2PBND2）配套使用時，確立了同類產(chǎn)品中的高級浮地測量標(biāo)準(zhǔn)。電源捆綁套件包括4只無源高壓探頭（P5122）及電源測量和分析軟件包（TPS2PWR1）。電源測量和分析軟件包提供了電源分析測量（真實功率、無功功率、真實功率因數(shù)、相角）、波形分析測量（RMS、波峰因數(shù)、頻率）、諧波測量及開關(guān)損耗測量。

 

THS3000系列是為使用示波器時要求更高流動性、而又不降低臺式儀器性能或執(zhí)行浮地測量能力的工程師們設(shè)計的。這種手持式儀器堅固耐用，重量型，一塊電池可連續(xù)工作7個小時，支持自動測量功能，在實驗室操作和現(xiàn)場操作中都提供了很大的通用性。該儀器的隔離通道、高壓采集（高達(dá)1000 VRMS CAT II）及高級波形記錄功能可以安全進(jìn)行浮地測量，特別適合經(jīng)常需要把實驗室中的測量與現(xiàn)場中的測量關(guān)聯(lián)起來的用戶。

 

 

怎樣選擇探頭和示波器組合：

 

1. 確定測量（或過壓）類別

 

IEC 61010-1國際標(biāo)準(zhǔn)為電壓測量儀器規(guī)定了四種過壓類別。一類到四類過壓都是依據(jù)瞬態(tài)信號期間可能存在的電氣能量多少確定的。

 

在IEC 61010-1中，電壓測量儀器根據(jù)耐受電壓瞬態(tài)信號的能力來劃分等級。

 

2. 確定最大浮地電壓

　　

 

3. 確定最大尖端到接地電壓。

 

4. 確定從探頭尖端到參考引線的最大電壓。

 

5. 確定屏幕上希望的最大峰峰值讀數(shù)。

 

IEC安裝類別

 

 

 

 

需要測量線路到線路240 VRMS三相Y型有源諧波濾波器上的峰峰值電壓。

 

 

■某種類別等級允許的最大輸入電壓一般也適用于較低類別的環(huán)境。例如，如果儀器等級為300 VRMS CAT III，那么在二類環(huán)境中在300 VRMS的儀器上工作也是安全的。

 

■對更高的電壓電平，儀器會通常額外確定較低類別的等級值，如同時確定300 VRMS CAT III和600 VRMS CAT II。這種情況并不是通用的，因此用戶必須在儀器文檔中明確檢驗透過多個類別的等級。

 

 

■這一實例的測量要求為240 VRMS。

 

■因此，只有THP0301、P5150和P5122探頭適合。

 

 

■在本例中，工程師確定其大約為140 VRMS。

 

■全部四只探頭都滿足這一要求。

 

 

■預(yù)計被測信號的最大電壓是240 VRMS。

 

■這使探頭只限于從THP0301、P5150和P5122探頭中選取。

 

 

■計算與240 VRMS對應(yīng)的最大峰峰值電壓

 

■因此，所需的可以觀察的電壓范圍是：240 VRMS x √2 x 2 = 679 VP-P。

 

■TPS2000B系列在屏幕上最大垂直設(shè)置為5V/div，共8格。

 

■THS3000在屏幕上最大垂直設(shè)置為100V/div，共8格。

 

■需要的探頭衰減 = 觀察電壓 / 最大垂直設(shè)置 / 格數(shù)。

 

■TPS2000B：679 VP-P / 5 / 8 = 17x，只有P5150和P5122提供了足夠的衰減。

 

■THS3000：679 VP-P / 100 / 8 = 1x，所有探頭都提供了足夠的衰減。

 

 

■對TPS2000B，P5150和P5122探頭適合這一測試場景。

 

■對THS3000，THP0301、P5150和P5122探頭適合的這一測試場景。

 

 

推薦閱讀：