示波器差分探头的工作原理

零式未来
2022-07-19
来源:零式未来

    1/简述


    探头的类型许多,在其中髙压差分探头在电源使用中十分普遍,但是许多技术人员对差分探头的了解并不是很深刻,销售市场上差分探头生产商也许多,性能参数不尽相同,乃至相差甚远,导致测到的波型也各有不同,技术工程师没法见到恰当波型。本篇文章将具体叙述什么叫差分信号,差分信号的测量,髙压差分探头的主要指标,优点和缺点和有关使用技巧,及其髙压差分探头在电源的常见运用。


    2/什么叫差分信号


    在解读差分探头以前,首先来掌握差分信号。差分信号是相互之间参照,而非参照接地装置的信号。比如,图1开关电源电路中半桥上下开关管(Q1,Q2管)中工作电压信号;图2多组分电气系统中工作电压信号,之上信号在本质上是“飘浮”在地以上。


示波器差分探头的工作原理

示波器差分探头的工作原理


    3/差分信号的测量方式


    现阶段差分信号的普遍测量方式如下所示:


   3.1/应用2个探头测量,再利用示波器数学课计算作用测算,如下图3


示波器差分探头的工作原理


    应用2个探头开展二项单端测量,这是一种常见方式,都是开展差分测量最不希望的方式。测量到地的信号(单端)及应用示波器的数学课计算函数公式(安全通道A信号减掉安全通道B),就能测量差分信号。在信号时低频率信号,信号力度足够大,可以超出一切担忧的噪音前提下,能够采用这类方式。2个单端测量组成在一起有众多潜在性难题。其中一个问题是顺着每一个探头直至每一条示波器安全通道有两根单独的长信号通道。这两根通道中间的一切延迟差都是造成2个信号发生时间偏位。在快速信号上,这一偏位会致使测算的差分信号中出现显著的频率和按时偏差。另一个问题是他们无法给予充分的共模噪音抑止。具体电路中,共模噪音源许多,例如,周边数字时钟线在两根信号网上造成的噪音,莹光等外界由来传出的噪音。由于工作频率的提升,单端测量的CMMR(共模抑制比)的特性会快速降低。假如保存共模干扰得话,这会造成信号的噪音比真实的噪音还需要大的多。


   3.2/示波器浮地测量


    现阶段常用的不正确浮地测量方式便是示波器浮地测量方式,是由断开规范三头AC插座地线的办法或采用一个沟通交流隔离变压仪,断开中心线与接地线的联接。将示波器从保护区线波动下去,如下图4,以减少地环城路的危害。这些办法我觉得并不可行,由于在建筑物的走线中中心线可能在某点早已与接地线相接,是不安全的测量方式;除此之外,它违反了工业生产身心健康和安全规定,且得到的测量结论也差。并且示波器在地波动的时候会发生一个大的分布电容,波动测量将遭受震荡的毁坏,测量的波形失真比较严重,后面会出现案例演试。总得来说,示波器浮地测量非常容易毁坏待测元器件;毁坏示波器;给人身安全产生潜在性伤害;测量偏差大。


示波器差分探头的工作原理


   3.3/差分测量


    浮地测量的最好解决方案便是应用高共模抑制比的差分探头,示波器高压差分探头由于2个键入端都不会有接地装置的难题,双路键入信号的差分计算在探头前面放大仪进行,传送到示波器安全通道的信号是已差分前的工作电压,示波器不用除掉三线插头的接地端就可以完成安全的浮地测量,如下图5。


示波器差分探头的工作原理


    4/差分探头


    普遍的差分探头含有一类是对于低电压信号的,在飞速的数字电路设计中这类差分信号较为普遍,这一类差分探头的测量工作电压普遍的幅度值是±8V,网络带宽一般在1GHz之上;另一类是针对髙压测量的,测量电压高达上KV,在开关电源电路测量中这类差分信号较为普遍,这种差分探头叫髙压差分探头,测量工作电压一般在KV等级,网络带宽在20MHz—100MHz范围之内较为普遍。


    差分探头目的是为了对于浮地系统软件的测量。电气系统测试中常常规定测量三相供电里的火线零线与火线,或是火线零线与零(中)线的相对性电压差,许多客户立即应用单端探头测量二点工作电压,造成探头损坏的状况频频出现。主要是因为:大部分示波器的“信号公共线”终端设备与防御性接地保护相互连接,一般称作“接地装置”。这样做的结果是:全部增加到示波器上,及其由示波器给予的信号都有着一个公共性的节点。该公共节点一般是示波器外壳根据应用交流电机器设备电源插头里的第三根输电线接地线,将探头接地线连在一个测试用例上。假如这时候应用单端探头测量,那样单端探头的接地线与供电线立即相接,不良影响肯定是短路故障。这样的事情下,我们应该差分探头开展浮地测量。


    差分探头3大关键指标值:


    网络带宽(通用性):全部探头都是有网络带宽。探头的网络带宽就是指探头回应造成导出力度降低到70.7%


    (-3dB)的工作频率,如下图6所显示。在挑选示波器和示波器探头时,要认知到网络带宽在很多领域危害着测量精密度。在力度测量中,伴随着正弦波形工作频率贴近网络带宽极限值,正弦波形的力度会越来越日益损耗。在网络带宽极限值上,正弦波形的力度会做为具体力度的70.7%开展测量。因而,为完成最高的力度测量精密度,必不可少挑选网络带宽比计划测量的最大工作频率波型高好几倍的示波器和探头。这一样适用测量波型增益值和上升幅度。波型变换沿(如单脉冲和正方形波边缘)是通过高频率成份构成的。网络带宽极限值使这种高频率成份产生损耗,造成表明的变换慢于具体变换速率。为精准地测量增益值和上升幅度,应用的测量系统软件必不可少应用有着充沛的网络带宽,能够维持组成波型增益值和上升幅度的高频有效成分。最常见的前提下,应用测量系统软件的增益值时,系统软件的增益值一般应当必要测量的增益值快4-5倍。在开关电源电路行业,一般50MHz的网络带宽就基本上够用了。


示波器差分探头的工作原理


    CMRR(共模抑制比):共模抑制比(CMRR)就是指差分探头在差分测量中抑止2个测试用例共模信号信号的工作能力。这也是差分探头的关键指标,其表达式为:CMRR=|Ad/Ac|。在其中:Ad=差分信号的电压增益。Ac=共模信号的电压增益。在理想化前提下,Ad应当非常大,而Ac则应当相当于0,因而CMRR无穷。结合实际,10,000:1的CMRR早已被当作很好了。


    这代表着将抑止5V的共CMRR(共模抑制比):共模抑制比(CMRR)就是指差分探头在差分测量中抑止2个测试用例共模信号信号的工作能力。这也是差分探头的关键指标,其表达式为:CMRR=|Ad/Ac|。在其中:Ad=差分信号的电压增益。Ac=共模信号的电压增益。在理想化前提下,Ad应当非常大,而Ac则应当相当于0,因而CMRR无穷。结合实际,10,000:1的CMRR早已被当作很好了。这代表着将抑止5V的共模键入信号,使之在导出上表明为0。5微伏。因为CMRR伴随着工作频率提升而降低,因而特定CMRR的工作频率与CMRR值一样关键。CMRR针对测量全桥或是半桥电源电路的上管推动波时,看起来至关重要,那也是髙压差分探头测量这种信号时的难题。如下图1中,上管GS驱动电压不大,可是共模电压非常高,测量改点波型时,对差分探头的CMRR规定非常高,后面将会出现案例演试剖析。


    崎变:崎变是键入信号预估回应或理想化回应的一切力度误差。结合实际,在迅速波型变换中间一般会马上产生崎变,其主要表现为所说的“减幅震荡”。差分探头的2个差分键入线非常长,普遍的有50cm上下,假如差分探头这一指标值设计方案不太好,那样测量的信号非常容易造成崎变。市面上不一样生产厂家的差分探头测到的结论很有可能不一样,有些相差甚远,这些指标值便是在其中原因之一。


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