示波器探頭基礎(chǔ)系列之五《為什么進(jìn)行差分測(cè)量？》

記住這一點(diǎn)非常重要：任何時(shí)候示波器進(jìn)行任何電壓測(cè)量都是在進(jìn)行差分電壓測(cè)量。根據(jù)定義，電壓是測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間電位差。 使用電壓表的人很容易理解電壓是兩點(diǎn)之間電位差的概念：只使用一條電壓表的引線是不能測(cè)量電壓的，需要再將另一條引線連接到電壓的另外一點(diǎn)，以提供參考點(diǎn)。在使用示波器時(shí)，我們有時(shí)會(huì)忘了示波器上顯示的信號(hào)并不是簡(jiǎn)單的“該點(diǎn)上的信號(hào)”，而實(shí)際上是該點(diǎn)上的電壓，因?yàn)樗c另外某個(gè)點(diǎn)電位不同。

“有參考地”的測(cè)量

這個(gè)另外一的點(diǎn)通常是電路的地，一般假設(shè)其電壓為零。例如，我們假設(shè)想使

圖1：被測(cè)電路

圖2 使用示波器連接的被測(cè)電路

用示波器測(cè)量圖1中晶體管發(fā)射極的電壓(參考接地)。這看上去可能是一條簡(jiǎn)單的電

路，但從圖2中我們可以看出，在我們包括了示波器探頭及示波器與電路之間的連接時(shí)，實(shí)際信號(hào)測(cè)量環(huán)境會(huì)變得很復(fù)雜。vA-B表示我們希望在示波器上顯示的晶體管發(fā)射極電壓波形。Zcircuit表示與晶體管發(fā)射極電阻R1并聯(lián)之后的等效阻抗。我們需要將一個(gè)點(diǎn)作為電路中的“理想地”，以便擁有穩(wěn)固的參考點(diǎn)。ZSCOPE GND是示波器電源線的接地線的阻抗。ZCOMMON是電路參考地和理想地之間的阻抗。iCOMMON表示其它的源(如連接被測(cè)電路的其它儀器)流經(jīng)ZCOMMON的電流(地環(huán)路的電流)，這個(gè)電流得到電壓VCOMMON。

示波器在屏幕上實(shí)際顯示的波形是示波器的輸入連接器導(dǎo)線的中心點(diǎn)的電位與連接器接地點(diǎn)的電位差的電壓波形VC-G。在大多數(shù)情況下，顯示的波形vC-G在很大程度上代表著探頭連接的被測(cè)電路兩點(diǎn)之間的電壓vA-B的信號(hào)。通過(guò)考察圖2中電路的各個(gè)部分，我們可以理解vC-G與vA-B存在差別的原因。

首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值為零，那么我們不需要使用探頭的地線，因?yàn)樵陔娐穮⒖嫉睾褪静ㄆ鹘拥刂g沒(méi)有電壓差，但是，這些值并不是零，因此我們必須在探頭上增加一個(gè)接地線，以并聯(lián)其效應(yīng)。在探頭地線并聯(lián)iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效應(yīng)時(shí)，它會(huì)有自己的電阻和電感，我們把這一阻抗稱為ZGND LEAD，它取決于地線的長(zhǎng)度。部分電流必須流出被測(cè)電路，流入示波器輸入，以產(chǎn)生一個(gè)電壓波形，即為示波器測(cè)量出的電壓波形。流經(jīng)探頭地線阻抗ZGND LEAD產(chǎn)生壓降使vC-G不同于vA-B。為說(shuō)明這種效應(yīng)，圖3顯示了使用示波器及示波器探頭和不同的接地附件測(cè)量的方波。第一個(gè)波形是使用探頭針狀適配器測(cè)量的，它最大限度地降低了接地連接的長(zhǎng)度。第二個(gè)波形和第三個(gè)波形是在探頭上使用了36cm (14")和58cm (23")的地線。在許多測(cè)量中，地線阻抗引起的信號(hào)損壞可能是可以接受的，但非常重要的一點(diǎn)是知道存在這種信號(hào)損壞。再看一下圖2，在iCOMMON流經(jīng)ZCOMMON時(shí)，它會(huì)形成我們稱為VCOMMON的電壓。如果沒(méi)有連接示波器探頭，vCOMMON表示相對(duì)于A點(diǎn)和B點(diǎn)的“共模”電壓，任一點(diǎn)上相對(duì)于“理想地”的電壓波形都將包括VCOMMON。B點(diǎn)等于vCOMMON，A點(diǎn)等于（vA-B+ VCOMMON）。通過(guò)在B點(diǎn)連接示波器探頭地線，我們可以降低但不能完全消除vCOMMON，其原因是ZGNDLEAD的值不可能是零。ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，iCOMMON會(huì)流經(jīng)這個(gè)環(huán)路產(chǎn)生的電壓會(huì)進(jìn)一步破壞波形vC-G。

圖3 探頭地線的影響

“沒(méi)有參考地”的測(cè)量

斷開(kāi)示波器上的安全地，通常可以降低iCOMMON的影響。當(dāng)vCOMMON電壓很大時(shí)，這種使用方法可能會(huì)非常危險(xiǎn)，在任何情況下我們都嚴(yán)格禁止這樣做。斷開(kāi)示波器的安全地并不能消除流經(jīng)ZGND LEAD的iCOMMON，因?yàn)閆SCOPE GND與示波器電源的變壓器副邊形成復(fù)雜的阻抗并聯(lián)，而示波器變壓器的寄生電容則與電源地線的阻抗ZPOWER TO GND串聯(lián)。我們使用的vCOMMON模型也可以解釋我們?cè)谶M(jìn)行“浮動(dòng)”測(cè)量時(shí)通常會(huì)考慮的測(cè)量限制。我們假設(shè)vCOMMON是iCOMMON流過(guò)低阻抗電壓源的輸出，當(dāng)測(cè)量浮地電源控制電路的電壓時(shí)，vCOMMON是電源線電壓。即使斷開(kāi)安全地的做法沒(méi)有危險(xiǎn)，流經(jīng)示波器變壓器的電容和電源線阻抗的iCOMMON仍會(huì)損害測(cè)量結(jié)果。 此外，與前面參考接地測(cè)量實(shí)例中一樣，流經(jīng)ZGNDLEAD的信號(hào)電流同樣也會(huì)損害信號(hào)。 另外，還有一個(gè)不太相關(guān)的問(wèn)題：把示波器機(jī)殼浮地可能會(huì)使示波器電源的變壓器原邊線圈和副邊線圈之間產(chǎn)生超過(guò)其耐壓范圍的電壓，從而損壞示波器。