2020年04月02日 | 使用示波器进行差分测量的原因分析

    电压就是电位差

    不管您知不知道，使用示波器进行任何电压测量的人实际上都是在进行差分电压测量。根据定义，电压是衡量两点之间电位差的指标。使用电压表的人很容易理解电压是两点之间电位差的概念。只使用一条电压表引线是不能测量电压的，而必需连接另一条引线，以提供参考点。在使用示波器时，我们有时会忘了示波器上显示的信号并不是简单的“该点上的信号”，而实际上是该点上的电压，因为它与另外某个点不同。

    参考“接地”测量

    这另外一个点通常是电路的接地，一般假设其电压为零。例如，我们假设想使用示波器测量图1中晶体管发射极上的电压(参考接地)。这看上去可能是一条简单的电路，但从图2中我们可以看出，在我们包括了示波器探头及示波器与电路之间的连接时，实际信号测量环境会变得多么复杂。vA-B表示我们希望在示波器上显示的晶体管发射极电压波形。Zcircuit是与晶体管发射极阻抗并联的连接发射极的电阻器的电阻。我们将把一个点指配为电路中的理想接地，以便拥有稳固的参考点。ZSCOPE GND是示波器电源线地线的阻抗。ZCOMMON是电路公共点和理想接地点之间的阻抗。ICOMMON表示其它来源(如连接被测电路的其它仪器)流经ZCOMMON的电流(接地环路)，得到vCOMMON。

图1：被测电路

    示波器在屏幕上实际显示的内容是作为输入连接器中心导线电压与连接器接地电压或vC-G之差的电压波形。在大多数情况下。显示的波形vC-G在很大程度上代表着探头触针vA-B上的信号。通过考察图2中电路的各个单元，我们可以理解vC-G与vA-B不同的方式和原因。

    首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值为零，那么我们不需要使用探头的地线，因为在公共电路和示波器接地之间没有电压差。但是，这些值并不是零，因此我们必须在探头上增加一个接地连接，以并联其效应。在探头地线并联iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效应时，它会有自己的部分电阻和电感。我们把这一阻抗称为ZGND LEAD，其取决于地线的长度。部分电流必须流出被测电路，流入示波器输入，以在执行测量的示波器上建立一个电压波形。流经探头地线阻抗的信号电流ZGND LEAD导致电压下跌，使vC-G不同于vA-B。为说明这种效应，图3显示了使用示波器及补偿的标准示波器探头测量的方波。第一个波形是使用探头触针适配器测量的，它最大限度地降低了接地连接的长度。第二个波形和第三个波形是使用同一设备测量的，但在探头上使用了36cm (14")和58cm (23")的地线。在许多测量中，地线阻抗引起的信号损坏可能是可以接受的，但非常重要的一点是知道存在这种信号损坏。再看一下图2，在iCOMMON流经ZCOMMON时，它会形成我们称为vCOMMON的电压。如果没有连接示波器探头，vCOMMON会表示为A点和B点“公共的”电压。任一点上相对于理想接地的电压波形都将包括vCOMMON。B点等于vCOMMON，A点等于vA-B + vCOMMON。通过对B点使用示波器探头地线，我们可以降低、但不能从测量中消除vCOMMON。我们不能消除vCOMMON的原因是ZGNDLEAD的值是有限的。

    ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND构成一个环路，iCOMMON会流经这个环路。iCOMMON流经这个环路导致的电压会进一步破坏波形vC-G。

图2：使用示波器连接的被测电路

    “非接地”参考测量

    通过打开示波器上的安全接地，通常可以降低iCOMMON的影响。根据vCOMMON的幅度，这种技术可能会非常危险，在任何情况下都不建议采用这种技术。打开示波器的安全地线不能消除流经ZGND LEAD的iCOMMON，因为ZSCOPE GND与示波器变压器形成复杂的阻抗并联，而示波器变压器的互卷电容则与电源系统的阻抗Z POWER TO GND串联。我们使用的vCOMMON模型也可以解释我们在进行“浮动”测量时通常会考虑的测量限制。我们假设vCOMMON是要流经的iCOMMON低阻抗电压电源的输出，如试图测量vCOMMON是电源线电压的“浮动”电源控制电路中的电压时。即使打开安全地线浮动示波器的作法没有危险，vCOMMON是电源线电压的iCOMMON流经示波器变压器相互盘绕的电容和电源线阻抗效应，仍会损害测量结果。此外，与前面参考接地测量实例中一样，流经ZGNDLEAD的信号电流同样也会损害信号。另外，还有一个不太相关的问题：把示波器机箱浮动到线路级电压可能会在设计处理的示波器变压器一级线圈和二次线圈之间产生更多的电压，可能会损坏示波器。

图3：探头地线的影响

    差分电压测量

    通过使用带有差分测量功能的示波器或前置放大器，可以大大降低这些损坏性的测量效应。图4显示了等效电路及相同的参考接地示波器和差分放大器。理想的差分放大器只会放大其在+输入和-输入上看到的差。这和电压表非常类似，我们会探测两个点，找到两点之间的电压差。在差分放大器放大两点之间的差时，它会抑制两点共用的任何电压。由于vCOMMON同时出现在我们电路的A点和B点上，差分放大器会抑制这个电压，对示波器表示A点和B点之差，即vA-B。

    (v A-B + vCOMMON) - (vCOMMON) = v A-B

    由于探头的高阻抗可以防止vCOMMON在示波器接地中生成感受得到的电流，它还大大降低了vCOMMON的环路电流影响。由于探头接地夹没有连接到B点，因此消除了ZGND LEAD的影响。因此，vC-G代表VA-B的程度要远远高于使用示波器探头地线提供负参考的情况。由于配有正确设计探头的差分放大器能够抑制相对较高幅度的公共电压，因此不需要把示波器浮动到不安全的水平，就可以进行高质量的测量。

图4：使用差分放大器的被测电路

    共模抑制比或CMRR

    我们已经讨论了使用理想的差分放大器进行电压波形测量的好处。遗憾的是，理想的差分放大器是不存在的，我们必需了解其部分特点和限制。我们再看一下图4，可以看到差分放大器处理两个电压波形：一个是我们想看到的，一个是我们不想看到的。我们可以把它们称为差模波形(A点和B点之差)和共模波形(A点和B点共用)。我们希望看到的波形是差模信号vA-B。单端放大器的所有特点，如增益和带宽，都适用于差分放大器的差模信号。如果您需要50MHz带宽和足够增益的示波器，来充分地测量参考接地信号，如vA-B，那么您需要一个差分放大器，在差模下拥有同样的功能。如前所述，通过应用低阻抗并联(ZGNDLEAD)或通过放置一个与共模信号串联的阻抗(浮动示波器)，可以使用单端示波器处理共模信号vCOMMON。通过从测得的差分信号中减去共模信号，差分放大器处理共模信号。类似的，可以使用差分带宽和增益指明衡量差分放大器消除或抑制共模信号的能力，只是我们现在想要的是衰减、而不是增益。通过对差分放大器的两个输入同时应用完全相同的信号(频率、幅度和相位)，可以测量共模带宽。对这些输入信号，理想的差分放大器在输出上没有任何信号。由于实际环境限制也适用于实际放大器，因此将有一个输出，其与输入信号的幅度和频率相关。如果我们把一个1 V、10 MHz信号同时放到两个输入中，差分放大器可能会以1,000的系数抑制1MHz信号。差分放大器抑制共模信号的能力通常用输入信号的幅度除以差分输入信号的幅度之比或共模抑制比(CMRR)表示。在本例中，10MHz时的CMRR是1,000:1。它还通常用衰减(dB)表示，但一直是输出幅度与输入幅度之比。应相对于衰减比随频率变化值指定这个指标，因为它随频率变化。CMRR在DC上最高，随着频率提高而下降。

    共模范围

    我们需要知道的差分放大器第二重要的特点是共模范围，它表明放大器能够容忍的最大vCOMMON幅度。这个值通常至少要比差分输入范围大几倍，指定为一个DC值，但它也适用于AC信号的峰值幅度。差分放大器应该有多大的共模范围取决于测量要求。如果共模电压是接地环路电流引起的小信号，那么一两伏特的范围就足够了。但是，如果要测量的差分信号位于大的共模电压的顶部，那么这一范围必须很大。例如，我们假设vA-B是开关电源一级电路电流监测电阻器中的电压波形，在本例中，vCOMMON为400 V (DC+峰值AC)，v A-B波形是一个电压斜波，峰值为1 V。通过使用?10综合衰减系数的探头和衰减器，vCOMMON将衰减到4 V，vA-B将衰减到10mV信号。差分放大器必须拥有至少4 V的共模范围。

    如果放大器的CMRR是10,000:1，那么差分放大器将在输出上把4 V vCOMMON衰减到400 μV水平。在这种情况下，放大器的CMRR与探头和放大器内部衰减器的衰减结合在一起，共模信号衰减1,000,000:1，差分信号则衰减100倍。在标准接地参考示波器上，可以简便安全地显示这一输出。

    获得良好的CMRR

    通过认真匹配流入和流经差分放大器的+和-信号路径的所有属性，可以实现良好的共模抑制比性能。这种匹配对探头及对放大器都非常重要。

    某些示波器通过从一个输入中减去另一个输入，来获得CMRR (通常称为A-B)。在模拟示波器中，这通过颠倒一条通道，然后把它与示波器输入段中的另一条通道相加实现。数字示波器(DSO)提供了多种数字函数，可以从一个采集的波形中减去另一个波形。

    DSO通常不会为这类运算指定CMMR，但通过考虑每条通道的精度指标，可以导出DC系数。如果每条通道的DC增益精度是±1%，那么CMRR可能会低达50:1，很少会好于100:1。在考虑AC信号时，CMRR会进一步恶化。在我们前面位于400 V共模信号顶部的1 V信号实例中，会输出10mV的差分信号和40mV的共模信号。另外输入不可能容忍4 V的偏置水平。

    为获得最优CMRR，差分放大器使用的探头应设计成使CMRR达到最大。用户需要保证以最优方式补偿探头。