差分示波器測量

差分示波器測量

初步介紹差分測量、放大器類型、應用及怎樣避免常見錯誤

當存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪聲時，使用傳統示波器探頭不能測量模擬的4 mVp-p心跳波形（上圖）。差分放大器則可以從噪聲中提取信號。

引論
所有測量都是兩點測量
人們一直在一條電路的兩點之間測量電壓，不管是使用電壓表還是使用示波器。當示波器探頭接觸電路中的一點時，即使沒有連接地線，通常也會在顯示器上出現波形。在這種情況下，測量的參考點是經過示波器機箱的安全接地通往電路中的電氣地。
數字電壓表通過兩個探頭測量兩點之間的電位。由于這兩個探頭是彼此隔離的，因此這兩點可以位于電路中任何地方。但情況并不總是如此。在數字電壓表出現前，人們使用VOM（萬用表）手持式儀表測量“浮動”電路。由于這些儀表是無源的，因此它們往往會給被測電路帶來負荷。使用高阻抗VTVM（真空管電壓表），可以執(zhí)行侵入性較小的測量。VTVM 有一個重大的局限性，即其測量總是以地為參考點。VTVM外殼接地，并連接到參考引線上。由于固態(tài)增益電路的問世，高性能電壓表可以與地線隔離，從而可以執(zhí)行浮動測量。
目前的大多數示波器，如老式VTVM，只能測量以大地為參考點的電壓，地線則連接到示波器機箱上。這稱為“單端”測量，探頭地線提供了參考通路。遺憾的是，有時這種局限性會降低測量的完整性，或不可能進行測量。

如果被測電壓位于兩個電路節(jié)點之間而且這兩點均未接地，那就不能使用傳統的示波器探測技術。常見的實例是測量開關電源中的柵極驅動信號（參見圖1）。
像普通電話線路中的那種平衡信號（在兩條引線之間，且沒有地回路）是不能直接測量的。我們將會看到，甚至某些“以地為參考”的信號也不能如實地使用單端技術來測量。

如果地線不成其為地線
我們都聽說過“接地環(huán)路”，書本上教我們避免“接地環(huán)路”。但接地環(huán)路是怎樣破壞示波器測量的呢？當兩條或多條單獨的接地通路聚結于兩點或多點時，將會產生接地環(huán)路。其結果是導體連成了一個環(huán)。當出現變化的磁場時，這個環(huán)就成了變壓器的次級，其本質是一個短路線匝。在其附近傳送非直流電流的任何導體都可以產生激勵這個變壓器的磁場。主配線中的交流線電壓、甚至數字集成電路的輸出引線，都可能產生這種激勵。在環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內任何阻抗的兩端產生電壓。這樣，在任何給定的瞬間，接地環(huán)路中的不同點將不處在同一電位。把示波器探頭的地線連接到被測電路的地上，如果電路“接地”到大地，就會形成接地環(huán)路（參見圖2）。循環(huán)電流作用在探頭通路內部的阻抗上會在其中產生電壓電位。

圖1. 在測試點TP1 和TP2 之間測量開關電源中的柵極驅動信號。兩點都沒有接地。

圖2. 示波器探頭形成的接地環(huán)路。示波器的金屬機箱和被測器件連接到安全地和內部電源公用線上。示波器探頭地則通過輸入端BNC 連接器連接到示波器機箱上。

這樣，示波器輸入端BNC 連接器上的“地”電位就不同于被測電路中的地電位（也就是說“地線不成其為地線”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達幾百毫伏。由于示波器以輸入端BNC 連接器外殼作為測量參考點，故顯示的波形可能并不代表探頭輸入端上的實際信號。當被測信號的幅度下降時，誤差會變得更加明顯，這在傳感器和生物醫(yī)學測量中十分常見。
在這些情況下，人們經常會去掉探頭的接地線。只有在測量頻率極低的信號時，這種方法才有效。在較高的頻率上，探頭開始在信號中增加因諧振電路（由觸點電容和屏蔽電感組成）產生的“環(huán)”（參見圖3）。(正因為如此，您永遠要使用盡可能短的地線。)

圖3. 探頭觸點電容和接地電感形成的串聯諧振電路。

我們現在遇到了一種兩難的情況：造成接地環(huán)路，在測量中增加誤差；或去掉探頭地線，在波形中增加環(huán)！為了斷開接地環(huán)路而經常試用的第二種方法是“浮動”示波器或“浮動”被測電路?！案印笔侵冈诒粶y設備上或在示波器上使安全接地的導線開路從而斷開與大地的連接。浮動示波器或浮動被測設備（DUT）之后，便可利用短地線使環(huán)達到最小，而且不會產生接地環(huán)路。

這種作法本身具有危險性，因為在主配線發(fā)生短路時，它會使電擊保護措施失效。（某些專用電池操作的便攜式示波器采用絕緣材料，可以安全進行浮動測量。） 在嚴格接地的示波器（或被測設備）的電源線中放一個合適的接地故障斷路器（GFCI），可以恢復操作人員的安全。但要知道，如果沒有低阻抗的接地連接，示波器的放射輻射和傳導輻射現在可能會超過政府標準，也會給測量本身造成干擾。在較高的頻率上，斷開接地線也不可能打破接地環(huán)路，因為“浮動”電路實際上通過雜散電容耦合到大地（參見圖4）。