摘要本文系统介绍了差分信号原理、三种测量方法双探头、示波器浮地、差分探头及其优缺点重点剖析了高压差分探头的核心指标带宽、CMRR、畸变并通过半桥电路实测案例对比分析最后总结了差分探头的使用技巧与安全注意事项。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(Q1Q2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1差分探头原理差分探头主要原理框图如下图差分探头主要是由衰减网络、差分信号转单端信号输出、电源电路、偏置电路、驱动电路组成。2差分探头分类常见的差分探头有两类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20MHz100MHz范围内比较常见。3高压差分探头应用高压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。4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% (-3dB)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45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CMRR)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 5V 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该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。下面将会有实例对此指标进行分析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。以下5节与6节可以选择性浏览。5、高压差分探头测试实例分析1差分探头测试半桥电路中MOS管的DS极间电压以下是利用CYBERTEK 公司DP6130测试半桥电路上下管DS波形实例以上实例说明差分探头满足浮地测量的需要和普通示波器通道间隔离的需求。这里需要说 明上下管的DS电压一般几百V以上一般差分探头测量问题都不大但是如果测到的波形尖峰很 大用户需要考虑是否是差分探头本身造成的如果差分探头的畸变指标设计的不好可能会导 致尖峰过高现象的发生后续会有相关实例演示说明在本人的实际测试中遇到过示波器通道 间延时不一样这也是客户需要考虑的问题特别是上下管波形对比时如果示波器的不同通道 的延时相差很大客户必须考虑进去一般相同型号的差分探头延时相差不大都是几个ns的差 别。2差分探头测试半桥电路中MOS管的GS极间驱动电压以下是利用CYBERTEK CYBERTEK 公司DP6130测试上下管GS波形实例通过以上实例分析高压差分探头也可以测量驱动波形。差分探头在测量驱动管波形时特 别是上管驱动波形由于差分电压驱动电压很小只有十几V但是共模电压很大通常达到 几百V这时CMRR共模指标就显得尤为重要如果CMRR指标不够高测量这类信号时波形将 会严重失真。下午将重点讨论差分探头的CMRR问题。3差分探头CMRR的实例分析如何简单测量差分探头的CMRR指标通过下面的实例分析将使用户有个基本了解。 还是以上面的测试平台为例将差分探头的红黑夹子短接同时勾住上管的G极理论上差分 探头的输出应该为零而实际上不可能原因就在于被测点对地有很高的共模电压接近480V 而差分探头的共模抑制能力有限那么就会有输出输出越大证明差分探头的CMRR能力越差。通过以上图片可以看出由于差分探头的共模能力有限共模信号的输出峰峰值有 2.64V 会影响实际的驱动波形测量图上的尖峰影响高频部分其它部分影响低频部分。现在我们来仔 细分析驱动波形请看下图上管驱动波形图片分析以上图片可以看出DP6130 测量驱动波形波形失真还是比较小的原因在于 CMRR 指标是 比较高。CYBERTEK DP6130 差分探头驱动波形时示波器是每格 5V而根据共模信号波形可 知共模信号输出的峰峰值只有 2.64V所以实测到的驱动波形几乎看不到波形的失真基本达 到应用要求。市场上各个厂家的 CMRR 能力不尽相同大家可以用该种方法判断你探头的共模抑制 比能力同时让你能够准确判断你测试出的驱动波形是否接近实际值。4示波器浮地测量使用普通的探头和差分探头对比在差分信号的测量方法中我们提过示波器浮地测量方法现在我们举个实例分析一下和差 分探头测量进行对比。通过以上图17和图20分析可知示波器浮地测量的失真比较大当然也有方法加以改进使 得测量的波形失真小示波器浮地测量最大问题是存在安全隐患示波器BNC接口外壳都会带电 工程师测量时必须非常小心。高压差分探头测量驱动电压时驱动电压一般比较小对CMRR指标 要求比较高否则测量失真也比较严重下面将讨论利用示波器浮地测量时如何更准确的测量驱动波形现在我们来仔细分析普通探头测量的前端接法通过下面图片21可以看到现在我们改进一下测量方法把地线夹去掉利用示波器普通探头前端探针和周围的地环进 行测量这样可以保证测量引线最短干扰最小达到最佳测量。参考下图片22从图22-24可以看到示波器浮地测量时必须减小普通探头长地线的影响利用探头前段 的地环使得接线最短这样测量波形失真非常小。但是同样存在安全问题这是示波器浮地测 量无法避免的问题5差分探头畸变指标过冲对实测开关电源MOS管DS极电压的影响上面我们讲解过畸变这个指标差分探头的输入线很长容易产生振荡产生过冲所以这 个指标在设计时也非常关键不同厂家这个指标可能相差很远造成测量时误差很大测量MOS 管的DS极间电压可能相差几十V以上下面我们将实例分析我们以CYBERTEK公司的DP6130A和 P5200二手市场购买维修过刚好这个指标很差用来做对比实验做实例对比先测标准的1MHz方波信号看输出波形现在我们来看实际测量开关电源MOS管DS极间波形从上面波形可以看到实测值相差103V二手的P5200过冲相当严重这在测试1MHz方波时得 到了验证说明了畸变过冲指标对测量的重要性当然并不是说测到的值越小越好如果探 头的带宽不满足要求测量值自然偏小有些尖峰捕捉不大DP6130A带宽高达100MHz在开关电 源领域里基本满足要求。6、差分探头使用技巧1 差分探头输入线双绞不知你是否发现以上图片测量时可以看到差分输入线是双绞起来这是有原因的。大家都 知道差分输入线很长就像两根天线一样会吸收各种干扰实验证明双绞线可以提供探头 的CMRR指标提高抗干扰能力特别是测量小信号时非常重要当然双绞线的使用会降低探头的 带宽指标不过影响不大。以下图32将证明双绞线的作用以上图片是差分输入线未双绞时的输出可以看到共模信号输出明显偏大为 3.02V比双 绞时输出 2.64V 大了不小。所以建议在测量小信号时差分输入线双绞 差分输入线双绞提高 CMRR 能力。2差分探头测量时避免手等接触差分输入线下图33是用手接触差分输入线的影响由以上实验证明在差分探头测量时特别是在测量小信号时尽量避免外界的干扰。差分探头总结如下差分探头是目前开关电源中最常用的工具之一满足浮地测量要求和隔离的需要;测量大信号时只要探头的畸变能力做的好一般不会存在问题;测量小信号时选用CMRR能力做得好的厂家同时注意测量方法比如双绞线方法能够提供测量的准确性CYBERTEK 生产的DP6000系列探头基本满足各种场合下的测量需求。示波器浮地测量总结如下:示波器浮地测量的优越性在于测量小信号当然测量方法也非常重要特别是对地线的长度要求地线越短越好否则测量的结果失真也很严重;浮地测量的最大缺点是示波器带电存在严重的安全隐患而且无法满足双通道同时测量的实际需求。如若喜欢这篇文章不妨留下您宝贵的点赞这将是对我莫大的鼓励。