- 高壓測(cè)試中使用不同示波器測(cè)試結(jié)果不一樣
- 最小化量化誤差
- 謹(jǐn)慎處理示波器接地
- 幅頻特性曲線平坦度問(wèn)題
高壓“測(cè)不準(zhǔn)”的原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，有四個(gè)因素：
第一是示波器的量化誤差問(wèn)題；
第二是示波器的幅頻特性曲線的平坦度問(wèn)題；
第三是環(huán)境噪聲的干擾問(wèn)題；
第四是探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問(wèn)題。
1.量化誤差的概念
示波器的A/D只有8位，也就是說(shuō)對(duì)于任何一個(gè)電壓值都只有256個(gè)0和1來(lái)重組。如果包括+/-符號(hào)位,示波器的數(shù)字量程是-128~+127。圖一清楚地顯示了這種數(shù)字化采樣的原理。示波器的屏幕最頂部代表的是+127,中間代表的是0，最底部代表的是-128。這種原理就產(chǎn)生了使用示波器的第一原則：最小化量化誤差。這個(gè)原則告訴了我們使用示波器的一個(gè)常識(shí)，為獲得最接近于真實(shí)值的電壓值，應(yīng)使垂直分辨率盡可能地小，使顯示的波形盡量占滿(mǎn)示波器的屏幕。
圖一 量化誤差原理的解釋
圖二分別表示在1V/div和200mv/div的時(shí)候測(cè)試相同的信號(hào)的效果。在1V/div的時(shí)候，示波器的最小量化誤差是（1V*8）/256=31.25mv，這意味著小于31.25mV的信號(hào)是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)的。而對(duì)于高壓測(cè)量，假設(shè)量程是100V/div,示波器的量化誤差是800V/256=3.125V，這意味著小于3.125V的信號(hào)是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)的。
圖二 在不同量程下的測(cè)試效果
有一個(gè)更令人印象深刻的例子來(lái)說(shuō)明量化誤差：將探頭的地和信號(hào)針直接相連懸在空中，比較量程為20mV/div和100V/div時(shí)的pk-pk值，其差異是多大？幾十伏的差異！！您現(xiàn)在就可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這表示在100V/div時(shí)測(cè)試出來(lái)的20V的信號(hào)，實(shí)際上只有不到20mV！所以對(duì)于測(cè)量800V的高壓，20V的誤差是非常非常正常的！50V也是非常正常的！[page]2.幅頻特性曲線平坦度問(wèn)題
就示波器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而言,示波器幅頻曲線距離理想響應(yīng)的偏差允許達(dá)到+/-2dB，這對(duì)有些精確度要求很高的測(cè)量似乎是很不能接受的誤差范圍。因此,示波器并沒(méi)有在測(cè)量界定義為計(jì)量的工具，它只能說(shuō)是調(diào)試的工具或測(cè)試的工具。
此外，不同型號(hào)的示波器，不同品牌的示波器，其前端放大器的響應(yīng)曲線也是有差別的，有的是高斯響應(yīng)，有的是矩形響應(yīng)，有的是四階貝塞爾響應(yīng)。對(duì)于輸入相同頻率的信號(hào)，不同示波器的垂直參數(shù)的測(cè)量結(jié)果肯定是不一致的，不同垂直通道設(shè)置下的測(cè)量結(jié)果也應(yīng)是不一致的。
我們從儀器校準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)了解到，示波器在校準(zhǔn)時(shí)，一般會(huì)把平坦度校準(zhǔn)到+/-1.5%以?xún)?nèi)，這是比較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著，對(duì)于理想中的1V的正弦信號(hào)，測(cè)試的結(jié)果偏差15mv是很正常的。圖三表示理想響應(yīng)和實(shí)際的示波器響應(yīng)之間的偏差。
圖三 理想的響應(yīng)和典型響應(yīng)曲線之間的偏差
圖四顯示的是我們6GHz的幅頻特性曲線。可以看出其最大偏差遠(yuǎn)小于+/-2dB。示波器使用一段時(shí)間后平坦度會(huì)有些改變需要送校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。但通常很多第三方機(jī)構(gòu)只能判斷出幅頻曲線是否合格，但并不能將平坦度校準(zhǔn)到廠家能校準(zhǔn)到的水平。因此，現(xiàn)在常有些客戶(hù)要求示波器原廠提供校準(zhǔn)服務(wù)。如果比較兩個(gè)不同品牌相同帶寬的幅頻特性，對(duì)于同一個(gè)頻率點(diǎn)其幅值不可能是相等的。
圖四 實(shí)際的幅頻特性曲線圖
3.環(huán)境噪聲的干擾問(wèn)題
干擾的傳播有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是傳導(dǎo)，一個(gè)是輻射。前者指干擾沿著導(dǎo)線介質(zhì)來(lái)傳播，后者是指通過(guò)空中的電磁場(chǎng)的耦合。這兩個(gè)因素都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。
地環(huán)路常是傳導(dǎo)的介質(zhì)。電流采樣的難點(diǎn)也是和接地有關(guān)的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)小電阻來(lái)采樣電流后得到的電壓非常小，在強(qiáng)電環(huán)境中非常容易受到干擾，特別是地帶來(lái)的干擾給控制環(huán)路的設(shè)計(jì)帶來(lái)難題。“地”的問(wèn)題是更復(fù)雜的話(huà)題，下面將舉例說(shuō)明。
專(zhuān)業(yè)的工業(yè)廠房的“大地”有很專(zhuān)業(yè)的接地措施。“大地”可以比成波瀾不驚的大海，而每一個(gè)和大地連接的電子設(shè)備的“地”就如流向這大海的無(wú)數(shù)條河流。每個(gè)電子設(shè)備在工作的時(shí)候就會(huì)使河流入海口的地方的海水變“混濁”，如果在這附近有另外一個(gè)電子設(shè)備也在工作，這條河流變混濁的海水會(huì)影響到另外一個(gè)河流，這時(shí)候另外一個(gè)設(shè)備甚至可能不能正常工作。這種相互混濁的過(guò)程帶來(lái)了一門(mén)科學(xué)，就是EMC。功率越大，對(duì)地的干擾越大。
我們必須深刻認(rèn)識(shí)到地之間的相互干擾是必須要嚴(yán)肅對(duì)待的問(wèn)題。在示波器的測(cè)量中，我們強(qiáng)調(diào)一定要三相供電，將示波器的地接到“干凈的”地上。但實(shí)際的測(cè)量環(huán)境中，干凈的地很難找到，這時(shí)候測(cè)量結(jié)果就要考慮到地環(huán)路的影響。 有些工程師將示波器的按地插頭去掉，用兩相電源線給示波器供電，試圖通過(guò)這種方法來(lái)避免環(huán)境地的干擾以及解決懸浮的高壓測(cè)試問(wèn)題。這種浮地的方法是儀器廠家強(qiáng)烈反對(duì)的做法，它可能會(huì)導(dǎo)致示波器損壞，DUT損壞，還有可能帶來(lái)人身安全問(wèn)題，而且更重要的是，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試波形的嚴(yán)重失真。以示波器的機(jī)殼作為參考點(diǎn)的測(cè)量能準(zhǔn)確嗎？一定要讓示波器的地牢固地接到干凈的地上，而地不干凈的時(shí)候要想法設(shè)法找到干凈的地接到示波器的地。地是探頭取樣的參考點(diǎn)，必須是干凈的才能得到最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
還有輻射。這是一個(gè)處處充滿(mǎn)輻射的世界。輻射對(duì)測(cè)量的影響的故事也很多很多。對(duì)于一個(gè)48V/50A的通信電源，業(yè)界要求輸出電壓的紋波峰峰值是100mV以?xún)?nèi)，這個(gè)指標(biāo)是指將電源蓋上機(jī)殼后的指標(biāo)。蓋機(jī)殼是最后做的事情，做一個(gè)項(xiàng)目先設(shè)計(jì)出單板，連機(jī)殼是什么樣都不知道。這時(shí)候我們?cè)跍y(cè)試中需要將示波器的帶寬限制為20M。在不蓋機(jī)殼測(cè)試為200mV的時(shí)候，經(jīng)驗(yàn)告訴我們這樣已經(jīng)OK了，結(jié)果果真！EMC似乎是關(guān)于經(jīng)驗(yàn)的學(xué)問(wèn)。
單端探頭的線差不多都有一米長(zhǎng)，我們將這些線懸在空中和將這線盡可能地縮短然后用手握住，測(cè)試結(jié)果會(huì)有多大差別？這又是經(jīng)驗(yàn)。在將負(fù)載增加的過(guò)程中，為了能從示波器中看出信號(hào)的端倪，工程師不得不不斷地折騰探頭的線，一會(huì)松開(kāi)線看看波形，一會(huì)又將線裹在一起握住看看波形。這種痛苦對(duì)于弱電的研發(fā)是感受沒(méi)有那么強(qiáng)烈的。
有時(shí)侯有些工程師為了省事，同時(shí)用多個(gè)通道時(shí)，只將一個(gè)探頭的地線接上，這無(wú)疑為對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。探頭的地線越短越好，地線和信號(hào)線之間的環(huán)路面積越大，輻射帶來(lái)的影響越大。這在霍華德那本經(jīng)典書(shū)中一開(kāi)始就有談到。
有時(shí)候探頭的地線被磨損了，測(cè)試的波形看起來(lái)是一條直流信號(hào)上有很多細(xì)小的毛刺。沒(méi)有很好屏幕效果的地線也會(huì)極大地增加輻射的干擾，在高壓測(cè)試中很輕松地帶來(lái) 100V以上的誤差。
在用高壓差分探頭測(cè)試時(shí)，需要將兩條線絞在一起而不要讓它們自由地散開(kāi)。這是常識(shí)，但很多工程師都沒(méi)有意識(shí)到。
有一次，一個(gè)工程師投訴說(shuō)，用我們兩個(gè)相同型號(hào)的探頭測(cè)試同一個(gè)被測(cè)點(diǎn)，交換通道后幅值差別很大。后來(lái)查了半天，發(fā)現(xiàn)本質(zhì)原因不是交換通道，而是和兩個(gè)探頭的線的擺法有關(guān)。兩根線的位置不一樣測(cè)試的結(jié)果就不一樣。
所以，我們?cè)诳吹揭粋€(gè)現(xiàn)象的時(shí)候總要去反復(fù)做一些交叉實(shí)驗(yàn)，對(duì)比測(cè)試后才能找出現(xiàn)象后面的原因，最終解決問(wèn)題或得出結(jié)論。
傳導(dǎo)和輻射，我們?cè)跍y(cè)試的時(shí)候總要考慮到這兩點(diǎn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。[page]4.探頭的共模抑制比和快恢復(fù)特性問(wèn)題
我們關(guān)注的信號(hào)總是兩個(gè)信號(hào)相減的結(jié)果。對(duì)于單端信號(hào)，是被測(cè)點(diǎn)的電位和地相減；對(duì)差分信號(hào)，是兩個(gè)相對(duì)地的差分信號(hào)之減。我們希望示波器測(cè)試到的信號(hào)是探頭的減法效應(yīng)之后沒(méi)有引進(jìn)對(duì)地的共模噪音。這在實(shí)際中是不可能的。因此，探頭的共模抑制比越大，測(cè)試出來(lái)的結(jié)果越準(zhǔn)確。不同的探頭共模抑制比不一樣。單端探頭的共模抑制比很低，只有幾千分之一，而普通的高壓差分探頭，如力科的ADP305，Tek公司的P52XX等共模抑制比為一萬(wàn)分之一。這在高壓測(cè)試中是不夠的。如在測(cè)試全橋或半橋電路的上半橋Vds電壓時(shí)，MOSFET關(guān)斷時(shí)的Vds電壓為400V以上，在MOSFET導(dǎo)通時(shí)的Vds電壓只有100mV，我們需要在示波器中清晰地看到100mV，這意味著示波器和探頭構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)能夠從400V電壓中拾取100mV的小信號(hào)，這需要探頭具有10萬(wàn)分之一的共模抑制比。例如力科的差分放大器DA1855A就能做到這樣高的共模抑制比。
此外，還有很重要的一點(diǎn)是，對(duì)于Vds電壓測(cè)試，由于從400V電壓跳變到100mV的電壓是瞬間的突變，如果探頭沒(méi)有很好的快過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)能力，會(huì)導(dǎo)致示波器過(guò)驅(qū)動(dòng)，測(cè)試出來(lái)的結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。MOSFET導(dǎo)通時(shí)的100mV的電壓測(cè)試出來(lái)的結(jié)果可能為負(fù)的十幾伏。大家可以立即去確認(rèn)下這一點(diǎn)：在50V/div的量程下看到導(dǎo)通時(shí)的波形是一條零線，但將量程調(diào)節(jié)到100mV/div的時(shí)候，就看到零線變成了負(fù)線，有的時(shí)候還會(huì)看到這負(fù)線不是恒定的，而是上下跳動(dòng)著的。力科的差分放大器DA1855A就提供了很好的過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)能力，使得能準(zhǔn)確測(cè)試出MOSFET在導(dǎo)通時(shí)的低電壓，從而測(cè)試出來(lái)的Vds電壓值才是最準(zhǔn)確的。這就好比一個(gè)人騎著一輛自行車(chē)從60度的陡坡沖下來(lái)，如果這自行車(chē)沒(méi)有很好的剎車(chē)系統(tǒng)，它是無(wú)法停留在它本來(lái)應(yīng)停留的位置，總會(huì)沖得更遠(yuǎn)。
圖五所示為差分放大器DA1855A的工作原理和外觀圖。
圖五 具有快過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)特性和高共模抑制比的DA1855A
綜上所述，我們知道，測(cè)量是科學(xué)，也是一門(mén)藝術(shù)。既需要理論的指導(dǎo)，也需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)之后，我們需要對(duì)測(cè)試規(guī)范做更細(xì)致的描述，對(duì)于有些測(cè)試指標(biāo)應(yīng)重新審視一下是否合理，對(duì)于有些測(cè)試指標(biāo)要詳細(xì)定義測(cè)試的環(huán)境和示波器的設(shè)置等。對(duì)于電源的Vds電壓，超過(guò)450伏就超標(biāo)了，這個(gè)問(wèn)題困擾了太多的工程師了。我們?cè)撊绾沃匦露x這個(gè)指標(biāo)？可能需要更加高端的儀器才能做到。
