示波器高压差分探头的了解及常见测量方法

1.概述      

探头的种类很多，其中高压差分探头在开关电源应用中十分广泛，然而很多工程师对差分探头的理解不是很深刻，市场上差分探头生产厂家也不少，性能指标各不相同，甚至相差甚远，造成测出的波形也不尽相同，工程师无法看到正确波形。本文将主要讲述什么是差分信号，差分信号的测量，高压差分探头的主要指标，优缺点和相关使用技巧，以及高压差分探头在开关电源的典型应用。

2.什么是差分信号

  在讲解差分探头之前，先来了解差分信号。差分信号是互相参考，而不是参考接地的信号。例如，图1开关电源中半桥上下开关管(Q1，Q2管)中电压信号；图2多相电源系统中电压信号，以上信号在本质上是“漂浮”在地之上。

3.差分信号的测量方法

目前差分信号的常见测量方法如下：

1）使用两个探头测量，再利用示波器数学运算功能计算，如图3

使用两个探头进行两项单端测量，这是一种常用方法，也是进行差分测量最不希望的方法。测量到地的信号（单端）及使用示波器的数学运算函数（通道A信号减去通道B），就可测量差分信号。在信号时低频信号，信号幅度足够大，能够超过任何担心的噪声情况下，可以采取这种方法。两个单端测量组合在一起有多个潜在问题。其中一个问题是沿着每个探头直到每条示波器通道有两条单独的长信号通路。这两条通路之间的任何延时差都会导致两个信号发生时间偏移。在高速信号上，这个偏移会导致计算的差分信号中发生明显的幅度和定时误差。另一个问题是它们不能提供足够的共模噪声抑制。实际电路中，共模噪声源很多，比如说，附近时钟线在两条信号线上导致的噪声，荧光等外部来源发出的噪声。随着频率的提高，单端测量的CMMR（共模抑制比）的性能会迅速下降。如果保留共模干扰的话，这会导致信号的噪声比实际的噪声还要大的多。

2) 示波器浮地测量

目前常见的错误浮地测量方法就是示波器浮地测量方法，是通过切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，如图4，以减小地环路的影响。这种方法其实并不可行，因为在建筑物的布线中中线也许在某处已经与地线相连，是不安全的测量方法；此外，它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差。而且示波器在地浮动时会出现一个大的寄生电容，浮动测量将受到振荡的破坏，测量的波形失真严重，后续会有实例演示。总而言之，示波器浮地测量容易损坏被测器件；损坏示波器；给人身带来潜在危害；测量误差大。

3）差分测量

浮地测量的最佳解决办法就是使用高共模抑制比的差分探头，因为两个输入端都不存在接地的问题，两路输入信号的差分运算在探头前端放大器完成，传输到示波器通道的信号是已差分后的电压，示波器无需去掉三线插头的接地端即可实现安全的浮地测量，如图5。

4.差分探头

常见的差分探头中有一类是针对低压信号的，在高速的数字电路中这种差分信号比较常见，这一类差分探头的测量电压常见的幅值是±8V，带宽一般在1GHz以上；另一类是专门针对高压测量的，测量电压高达上KV，在开关电源测量中这种差分信号比较常见，这类差分探头叫高压差分探头，测量电压一般在KV级别，带宽在20MHz—100MHz范围内比较常见。

差分探头主要是针对浮地系统的测量。电源系统测试中经常要求测量三相供电中的火线与火线，或者火线与零（中）线的相对电压差，很多用户直接使用单端探头测量两点电压，导致探头烧毁的现象时有发生。这是因为：大多数示波器的“信号公共线”终端与保护性接地系统相连接，通常称之为“接地”。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳通过使用交流电源设备电源线中的第三根导线地线，将探头地线连到一个测试点上。如果这时使用单端探头测量，那么单端探头的地线与供电线直接相连，后果必然是短路。这种情况下，我们需要差分探头进行浮地测量。

差分探头3大重要指标：

带宽 (通用)：所有探头都有带宽。探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7%

(-3 dB)的频率，如图6所示。在选择示波器和示波器探头时，要认识到带宽在许多方面影响着测量精度。在幅度测量中，随着正弦波频率接近带宽极限，正弦波的幅度会变得日益衰减。在带宽极限上，正弦波的幅度会作为实际幅度的70.7% 进行测量。因此，为实现最大的幅度测量精度，必需选择带宽比计划测量的最高频率波形高几倍的示波器和探头。这同样适用于测量波形上升时间和下降时间。波形转换沿(如脉冲和方形波边沿)是由高频成分组成的。带宽极限使这些高频成分发生衰减，导致显示的转换慢于实际转换速度。为精确地测量上升时间和下降时间，使用的测量系统必需使用拥有充足的带宽，可以保持构成波形上升时间和下降时间的高频率成份。最常见的情况下，使用测量系统的上升时间时，系统的上升时间一般应该比要测量的上升时间快4-5 倍。在开关电源领域，一般50MHz的带宽就基本够用了。

CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探头在差分测量中抑制两个测试点共模信号信号的能力。这是差分探头的关键指标，其公式为：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信号的电压增益。Ac = 共模信号的电压增益。在理想情况下，Ad 应该很大，而Ac 则应该等于0，因此CMRR无穷大。在实践中，10,000:1 的CMRR 已经被看作非常好了。这意味着将抑制5 V 的共模输入信号，使其在输出上显示为0.5 毫伏。由于CMRR 随着频率提高而下降，因此指定CMRR 的频率与CMRR 值一样重要。CMRR对于测量全桥或者半桥电路的上管驱动波时，显得尤为重要，这也是高压差分探头测量这类信号时的难点。如图1中，上管GS驱动电压很小，但是共模电压很高，测量改点波形时，对差分探头的CMRR要求比较高，后续将会有实例演示分析。

畸变：畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。在实践中，在快速波形转换之间通常会立即发生畸变，其表现为所谓的“减幅振荡”。差分探头的两个差分输入线非常长，常见的有50cm左右，如果差分探头这个指标设计不好，那么测量的信号容易产生畸变。市场上不同厂家的差分探头测出的结果可能不同，有的相差甚远，这个指标就是其中原因之一。

      当然差分探头还有输入阻抗，输入电容，精度，衰减系数等指标，市场上各个厂家差别不大，一般也不会出问题，所以这里就不一一介绍了。