高壓隔離探頭
1.概述
探頭的種類(lèi)很多,常用的無(wú)源探頭在測(cè)量差分信號(hào)的時(shí)候,十分危險(xiǎn)。為了防止意外發(fā)生,儀器設(shè)備商研制了高壓隔離探頭即高壓差分探頭。其中高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中十分廣泛,然而很多工程師對(duì)差分探頭的理解不是很深刻,市場(chǎng)上差分探頭生產(chǎn)廠(chǎng)家也不少,性能指標(biāo)各不相同,甚至相差甚遠(yuǎn),造成測(cè)出的波形也不盡相同,工程師無(wú)法看到正確波形。本文將主要講述什么是差分信號(hào),差分信號(hào)的測(cè)量,高壓差分探頭的主要指標(biāo),優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)使用技巧,以及高壓差分探頭在開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用。
2.什么是差分信號(hào)
在講解差分探頭之前,先來(lái)了解差分信號(hào)。差分信號(hào)是互相參考,而不是參考接地的信號(hào)。例如,圖1開(kāi)關(guān)電源中半橋上下開(kāi)關(guān)管(Q1,Q2管)中電壓信號(hào);圖2多相電源系統(tǒng)中電壓信號(hào),以上信號(hào)在本質(zhì)上是“漂浮”在地之上。
3.差分信號(hào)的測(cè)量方法
目前差分信號(hào)的常見(jiàn)測(cè)量方法如下:
1)使用兩個(gè)探頭測(cè)量,再利用示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算功能計(jì)算,如圖3
使用兩個(gè)探頭進(jìn)行兩項(xiàng)單端測(cè)量,這是一種常用方法,也是進(jìn)行差分測(cè)量不希望的方法。測(cè)量到地的信號(hào)(單端)及使用示波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)(通道A信號(hào)減去通道B),就可測(cè)量差分信號(hào)。在信號(hào)時(shí)低頻信號(hào),信號(hào)幅度足夠大,能夠超過(guò)任何擔(dān)心的噪聲情況下,可以采取這種方法。兩個(gè)單端測(cè)量組合在一起有多個(gè)潛在問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是沿著每個(gè)探頭直到每條示波器通道有兩條單獨(dú)的長(zhǎng)信號(hào)通路。這兩條通路之間的任何延時(shí)差都會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)間偏移。在高速信號(hào)上,這個(gè)偏移會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的差分信號(hào)中發(fā)生明顯的幅度和定時(shí)誤差。另一個(gè)問(wèn)題是它們不能提供足夠的共模噪聲抑制。實(shí)際電路中,共模噪聲源很多,比如說(shuō),附近時(shí)鐘線(xiàn)在兩條信號(hào)線(xiàn)上導(dǎo)致的噪聲,熒光等外部來(lái)源發(fā)出的噪聲。隨著頻率的提高,單端測(cè)量的CMMR(共模抑制比)的性能會(huì)迅速下降。如果保留共模干擾的話(huà),這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的噪聲比實(shí)際的噪聲還要大的多。
2) 示波器浮地測(cè)量
目前常見(jiàn)的錯(cuò)誤浮地測(cè)量方法就是示波器浮地測(cè)量方法,是通過(guò)切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線(xiàn)的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器,切斷中線(xiàn)與地線(xiàn)的連接。將示波器從保護(hù)地線(xiàn)浮動(dòng)起來(lái),如圖4,以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并不可行,因?yàn)樵诮ㄖ锏牟季€(xiàn)中中線(xiàn)也許在某處已經(jīng)與地線(xiàn)相連,是不安全的測(cè)量方法;此外,它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定,且獲得的測(cè)量結(jié)果也差。而且示波器在地浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容,浮動(dòng)測(cè)量將受到振蕩的破壞,測(cè)量的波形失真嚴(yán)重,后續(xù)會(huì)有實(shí)例演示。總而言之,示波器浮地測(cè)量容易損壞被測(cè)器件;損壞示波器;給人身帶來(lái)潛在危害;測(cè)量誤差大。
3)差分測(cè)量
浮地測(cè)量的解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭,因?yàn)閮蓚€(gè)輸入端都不存在接地的問(wèn)題,兩路輸入信號(hào)的差分運(yùn)算在探頭前端放大器完成,傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘?hào)是已差分后的電壓,示波器無(wú)需去掉三線(xiàn)插頭的接地端即可實(shí)現(xiàn)安全的浮地測(cè)量,如圖5。
4.差分探頭
常見(jiàn)的差分探頭中有一類(lèi)是針對(duì)低壓信號(hào)的,在高速的數(shù)字電路中這種差分信號(hào)比較常見(jiàn),這一類(lèi)差分探頭的測(cè)量電壓常見(jiàn)的幅值是±8V,帶寬一般在1GHz以上;另一類(lèi)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)高壓測(cè)量的,測(cè)量電壓高達(dá)上KV,在開(kāi)關(guān)電源測(cè)量中這種差分信號(hào)比較常見(jiàn),這類(lèi)差分探頭叫高壓差分探頭,測(cè)量電壓一般在KV級(jí)別,帶寬在20MHz—100MHz范圍內(nèi)比較常見(jiàn)。
差分探頭主要是針對(duì)浮地系統(tǒng)的測(cè)量。電源系統(tǒng)測(cè)試中經(jīng)常要求測(cè)量三相供電中的火線(xiàn)與火線(xiàn),或者火線(xiàn)與零(中)線(xiàn)的相對(duì)電壓差,很多用戶(hù)直接使用單端探頭測(cè)量?jī)牲c(diǎn)電壓,導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)示波器的“信號(hào)公共線(xiàn)”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接,通常稱(chēng)之為“接地”。這樣做的結(jié)果是:所有施加到示波器上,以及由示波器提供的信號(hào)都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)殼通過(guò)使用交流電源設(shè)備電源線(xiàn)中的第三根導(dǎo)線(xiàn)地線(xiàn),將探頭地線(xiàn)連到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上。如果這時(shí)使用單端探頭測(cè)量,那么單端探頭的地線(xiàn)與供電線(xiàn)直接相連,后果必然是短路。這種情況下,我們需要差分探頭進(jìn)行浮地測(cè)量。
差分探頭3大重要指標(biāo):
帶寬 (通用):所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%
(-3 dB)的頻率,如圖6所示。在選擇示波器和示波器探頭時(shí),要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中,隨著正弦波頻率接近帶寬限,正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬限上,正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此,為實(shí)現(xiàn)zui大的幅度測(cè)量精度,必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的zui高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬限使這些高頻成分發(fā)生衰減,導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間,使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬,可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。常見(jiàn)的情況下,使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí),系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快4-5 倍。在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域,一般50MHz的帶寬就基本夠用了。
CMRR (共模抑制比):共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)共模信號(hào)信號(hào)的能力。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo),其公式為:CMRR = |Ad/Ac|。其中:Ad = 差分信號(hào)的電壓增益。Ac = 共模信號(hào)的電壓增益。在理想情況下,Ad 應(yīng)該很大,而Ac 則應(yīng)該等于0,因此CMRR無(wú)窮大。在實(shí)踐中,10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號(hào),使其在輸出上顯示為0.5 毫伏。由于CMRR 隨著頻率提高而下降,因此CMRR 的頻率與CMRR 值一樣重要。CMRR對(duì)于測(cè)量全橋或者半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波時(shí),顯得尤為重要,這也是高壓差分探頭測(cè)量這類(lèi)信號(hào)時(shí)的難點(diǎn)。如圖1中,上管GS驅(qū)動(dòng)電壓很小,但是共模電壓很高,測(cè)量改點(diǎn)波形時(shí),對(duì)差分探頭的CMRR要求比較高,后續(xù)將會(huì)有實(shí)例演示分析。
畸變:畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中,在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變,其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個(gè)差分輸入線(xiàn)非常長(zhǎng),常見(jiàn)的有50cm左右,如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)不好,那么測(cè)量的信號(hào)容易產(chǎn)生畸變。市場(chǎng)上不同廠(chǎng)家的差分探頭測(cè)出的結(jié)果可能不同,有的相差甚遠(yuǎn),這個(gè)指標(biāo)就是其中原因之一。
當(dāng)然差分探頭還有輸入阻抗,輸入電容,精度,衰減系數(shù)等指標(biāo),市場(chǎng)上各個(gè)廠(chǎng)家差別不大,一般也不會(huì)出問(wèn)題,所以這里就不一一介紹了。
大家都知道,差分輸入線(xiàn)很長(zhǎng),就像兩根天線(xiàn)一樣,會(huì)吸收各種干擾,實(shí)驗(yàn)證明,雙絞線(xiàn)可以提供探頭的CMRR指標(biāo),提高抗干擾能力,特別是測(cè)量小信號(hào)時(shí)非常重要,當(dāng)然雙絞線(xiàn)的使用會(huì)降低探頭的帶寬指標(biāo),不過(guò)影響不大。
以下圖20將證明雙絞線(xiàn)的作用:
以上圖片是差分輸入線(xiàn)未雙絞時(shí)的輸出,可以看到共模信號(hào)輸出明顯偏大,為3.02V,比雙絞時(shí)輸出2.64V大了不小。所以建議在測(cè)量小信號(hào)時(shí),差分輸入線(xiàn)雙絞,提高CMRR能力。
差分探頭測(cè)量時(shí)避免手等接觸差分輸入線(xiàn)
下圖21是用手接觸差分輸入線(xiàn)的影響
差分探頭總結(jié)如下:差分探頭是目前開(kāi)關(guān)電源中常用的工具之一,滿(mǎn)足浮地測(cè)量要求和隔離的需要;測(cè)量大信號(hào)時(shí),只要探頭的畸變能力做的好,一般不會(huì)存在問(wèn)題;測(cè)量小信號(hào)時(shí),選用CMRR能力做得好的廠(chǎng)家,同時(shí)注意測(cè)量方法,比如雙絞線(xiàn)方法,能夠提供測(cè)量的準(zhǔn)確性,CYBERTEK 生產(chǎn)的高壓隔離探頭DP6000系列探頭基本滿(mǎn)足各種場(chǎng)合下的測(cè)量需求。
本頁(yè)產(chǎn)品地址:http://m.bhxfsw.cn/sell/show-7983263.html