【導(dǎo)讀】最苛刻的浮地測量要求源自電源控制電路，如馬達(dá)控制器、不間斷電源和工控設(shè)備。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電壓和電流可能會很大，足以給用戶和/或測試設(shè)備帶來危險(xiǎn)。在測量浮地高壓信號時(shí)，有許多選項(xiàng)可以考慮。本應(yīng)用指南將介紹電源測量術(shù)語，闡述為進(jìn)行浮地測量提供的不同選項(xiàng)，重點(diǎn)介紹每種選項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
差分測量與浮地測量比較
所有電壓測量都是差分測量。差分測量定義為兩點(diǎn)之間的電壓差。電壓測量分成兩類：
1. 參考地電平測量
2. 非參考地電平測量（也稱為浮地測量）
傳統(tǒng)示波器
大多數(shù)傳統(tǒng)示波器把“信號參考”端子連接到保護(hù)接地系統(tǒng)上，通常稱為“接地”。通過這種方式，所有應(yīng)用到示波器的信號或示波器提供的信號都會有一個(gè)公共連接點(diǎn)。
這個(gè)公共連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)箱，通過AC供電設(shè)備電源線中的第三條線接地，來保持在（或接近）零伏。這意味著每個(gè)輸入通道參考點(diǎn)都捆綁在一個(gè)接地參考源上。
不應(yīng)該使用傳統(tǒng)無源探頭，直接在參考地電平的示波器上進(jìn)行浮地測量。視流經(jīng)參考引線的電流數(shù)量，傳統(tǒng)無源探頭會開始變熱；在電流足夠高時(shí)，它會類似熔絲那樣熔化斷開。
浮地測量技術(shù)
■為進(jìn)行高壓浮地測量提供的不同選項(xiàng)包括：
■隔離輸入示波器
■差分探頭
■電壓隔離裝置
■“A - B” 測量技術(shù)
■示波器“浮地”技術(shù)
術(shù)語表
共模信號
兩個(gè)輸入上共同的輸入信號成分（幅度和相位完全相同）。
共模范圍
差分放大器可以抑制的共模信號的最大電壓（從接地）。
共模抑制比
衡量差分放大器抑制共模信號能力的一個(gè)性能指標(biāo)。由于共模抑制一般會隨著頻率提高而下降，因此通常會指定特定頻率的CMRR。
差分模式或差模
差分放大器兩個(gè)輸入之間的不同信號。差模信號（VDM）可以表達(dá)為：
VDM = （V+input） - （V-input）
差模信號
兩個(gè)輸入之間不同的信號。
差分測量
兩點(diǎn)之間的電壓差。
差分探頭
為差分應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的探頭。有源差分探頭在探頭尖端包含一個(gè)差分放大器。無源差分探頭與差分放大器一起使用，可以進(jìn)行校準(zhǔn)，精確匹配兩條信號路徑中（包括參考引線）的DC和AC衰減。
浮地測量
任何一點(diǎn)都沒有參考地電平（地電位）的差分測量。
接地環(huán)路
當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的單獨(dú)接地路徑在兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)捆綁在一起時(shí)，會出現(xiàn)接地環(huán)路。結(jié)果是一個(gè)導(dǎo)體環(huán)路。在存在變化的磁場時(shí)，這個(gè)環(huán)路會變成變壓器的次級電路，作為短路線圈操作。附近承載非DC電流的任何導(dǎo)體都會產(chǎn)生磁場，激發(fā)變壓器。許多導(dǎo)線、甚至數(shù)字IC輸出引線中的AC線路電壓都會產(chǎn)生這種激發(fā)作用。環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內(nèi)部任何阻抗中積聚電壓。這樣，在任何給定時(shí)點(diǎn)上，接地環(huán)路中的各個(gè)點(diǎn)都不會位于相同的AC電位。
把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產(chǎn)生接地環(huán)路。作用在路徑內(nèi)部阻抗上的循環(huán)電流會導(dǎo)致電壓電位積聚在探頭接地路徑中。
這樣，示波器輸入BNC連接器上的“接地”電位與被測電路中的接地不同（即“此接地非彼接”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達(dá)幾百毫伏。由于示波器從輸入BNC連接器的外殼上參考測量，因此顯示的波形可能并不表示探頭輸入上的實(shí)際信號。隨著被測信號的幅度下降，誤差變得更加明顯。
把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產(chǎn)生接地環(huán)路。
“單一測量”
在使用AC線路電源及使用標(biāo)準(zhǔn)三線電源線操作時(shí)，帶有接地輸入通道、電池供電的示波器表現(xiàn)出來的局限性與傳統(tǒng)示波器一樣。然而，在使用電池操作時(shí)，這些示波器可以一次進(jìn)行高達(dá)30 VRMS的單一安全浮地測量。記住，所有輸入公共源都捆在一起
共享參考點(diǎn)和隔離通道結(jié)構(gòu)比較
大多數(shù)臺式示波器共享下面所示的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行多通道測量時(shí)，所有輸入信號必須有相同的電壓參考，共享的默認(rèn)參考是“大地”接地。如果沒有差分前置放大器或外部信號隔離器，這些臺式示波器則不適合進(jìn)行浮地測量。
與傳統(tǒng)臺式示波器結(jié)構(gòu)相比，這種隔離通道結(jié)構(gòu)中的電壓參考沒有在儀器內(nèi)部連接在一起。因此，使用的輸入的每個(gè)參考點(diǎn)必須連接到參考電壓上。獨(dú)立浮地隔離輸入仍由寄生電容耦合。這可能會發(fā)生在輸入?yún)⒖己铜h(huán)境之間，及手動(dòng)發(fā)生在輸入?yún)⒖键c(diǎn)之間?；谶@一原因，建議把參考點(diǎn)連接到系統(tǒng)接地或另一個(gè)穩(wěn)定電壓上。如果輸入的參考點(diǎn)連接到高速和/或高壓信號上，那么您應(yīng)該了解寄生電容。
說明
隔離輸入示波器測量
采用IsolatedChannelÔ輸入結(jié)構(gòu)的示波器，如TPS2000B或THS3000系列，提供了真正的、完整的通道到通道和通道到電源線隔離能力。每條通道相互單獨(dú)隔離，同時(shí)與其它非隔離器件隔離。在使用IsolatedChannelÔ示波器進(jìn)行浮地測量時(shí)，必須使用專門設(shè)計(jì)的無源探頭，如TPP0201，進(jìn)行高達(dá)30 VRMS的浮地測量；或使用THP0301，進(jìn)行高達(dá)300 VRMS的浮地測量；或使用P5122/P5150探頭，進(jìn)行高達(dá)600 VRMS的浮地測量。與大多數(shù)傳統(tǒng)示波器使用的無源探頭不同，這些類型的探頭在BNC連接上絕緣，防止發(fā)生觸電；參考引線是為耐受額定浮地電壓而設(shè)計(jì)的。（如需更多信息，請參閱本應(yīng)用指南后面“注意類別和電壓”一節(jié)中的討論）
差分探頭測量
通過使用差分探頭系統(tǒng)，可以通過泰克TDS/DPO/MSO和大多數(shù)其它接地示波器進(jìn)行浮地測量。某些差分探頭（如P6246、P6247、P6248和P6330）是為幅度較低的快速信號優(yōu)化的。其它探頭（如P5200A、P5205A和P5210A）則處理速度較慢、電壓幅度較高的信號。ADA400A差分前置放大器即使在高噪聲環(huán)境中，仍能顯示低頻率、超低幅度的差分信號。
電壓隔離器測量
顧名思義，隔離器在浮地輸入與參考地電平輸出之間沒有直接的電氣連接。信號通過光學(xué)或分路光學(xué)/變壓器手段耦合。
“A - B”測量（也叫偽差分測量）
“A - B”測量技術(shù)可以使用傳統(tǒng)示波器及無源電壓探頭，間接進(jìn)行浮地測量。一條通道測量“正”測試點(diǎn)，另一條通道測量“負(fù)”測試點(diǎn)。從第一個(gè)測量值中減去第二個(gè)測量值，去掉兩個(gè)測試點(diǎn)的公共電壓，以便觀察不能直接測量的浮地電壓。示波器通道必須設(shè)置成相同的伏特/格；探頭應(yīng)與示波器配套，使共模抑制比達(dá)到最大。
測量參考地電平電壓的兩只探頭實(shí)例
“浮地”傳統(tǒng)接地示波器
使用不會把接地傳送到次級電路的隔離變壓器，或通過把示波器的AC市電電源線接地連接器，是一種常用的有風(fēng)險(xiǎn)的示波器浮地測量方式。
“浮地”參考地電平示波器把所有可以接觸的相同電壓的金屬（包括機(jī)箱、機(jī)殼和連接器）作為探頭參考引線連接的測試點(diǎn)。
浮地測量，危險(xiǎn)電壓發(fā)生在示波器機(jī)箱上。V1可能有幾百伏！
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
隔離輸入通道示波器為進(jìn)行浮地測量提供了一種安全可靠的方式。通道到通道隔離和通道到接地隔離的明顯好處是能夠同時(shí)觀察參考到不同電壓的多個(gè)信號。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在不增加專用探頭成本或昂貴笨重的電壓隔離器的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通道到電源線隔離消除了信號源接地與示波器之間的路徑。
缺點(diǎn)
與差分探頭不同，隔離輸入通道沒有提供均衡浮地測量。到接地的阻抗在尖端（+）輸入和參考（-）輸入之間是不同的。由于隔離通道的參考（-）輸入不象接地示波器那樣有默認(rèn)的參考電平，因此必須把探頭的參考引線連接到DUT的參考點(diǎn)上。
由于沒有到接地的分路，因此熒光燈和大樓布線放射的工頻場可能會在示波器讀數(shù)上導(dǎo)致更多的基線噪聲。使用平均采集模式會減輕這種基線噪聲提高。
優(yōu)點(diǎn)
差分探頭為調(diào)整接地示波器進(jìn)行浮地測量提供了一種安全的方法。除安全性優(yōu)勢外，使用這些探頭可以改善測量質(zhì)量。差分探頭提供了均衡測量輸入電容，因此可以使用任意一條引線安全地探測電路中任何點(diǎn)。在比電壓隔離器更高的頻率上，差分探頭一般CMRR性能更好。
另一種優(yōu)點(diǎn)是全面利用示波器的多條通道，同時(shí)觀察多個(gè)信號，參考不同的電壓。
缺點(diǎn)
探頭仍有一條到接地的電阻路徑，因此如果電路對泄漏電流靈敏，那么差分探頭可能并不是最佳的解決方案。
其它缺點(diǎn)包括增加了一層成本，具體視示波器功能，可能要求獨(dú)立的電源，這增加了成本和體積。在出廠時(shí)，必須手動(dòng)確定每種測量的增益和偏置特點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)
電壓隔離器為安全測量浮地電壓提供了一種手段，由于隔離器沒有到地的電阻路徑，因此對泄漏電流異常靈敏的應(yīng)用來說，它們是一個(gè)很好的選擇。
缺點(diǎn)
電壓隔離器增加了一層成本。必須使用單獨(dú)的電源和隔離放大器箱。在出廠時(shí)必須為每一項(xiàng)測量手動(dòng)確定增益和偏置特點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)
使用“A - B”測量技術(shù)的優(yōu)勢在于，幾乎任何示波器和標(biāo)配探頭都可以簡便地完成這一點(diǎn)。記住，兩個(gè)測試點(diǎn)必須參考地電平。因此，如果任意一個(gè)測試點(diǎn)都是浮地的，或如果整個(gè)系統(tǒng)都是浮地的，那么不適用這種方法。
缺點(diǎn)
在進(jìn)行“A - B”測量時(shí)，要使用兩條示波器通道。這種技術(shù)的主要限制是共模范圍相當(dāng)小，這源于示波器的垂直通道動(dòng)態(tài)范圍。一般來說，其不到來自地電平的volts/division設(shè)置的10倍。在共模電壓大于差模電壓時(shí)，“A - B”測量技術(shù)可能會被認(rèn)為是從兩個(gè)大電壓中提取小的差異。這種技術(shù)適合共模信號的幅度與差模信號相同或低于差模信號，且共模成分是DC或低頻，如50 Hz或60 Hz電源線的應(yīng)用。在測量幅度適中的信號時(shí)，它從測量中有效消除了接地環(huán)路電壓。
優(yōu)點(diǎn)
盡管浮地設(shè)備是一種利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行浮地測量，消除頻率較低的信號上接地環(huán)路的方法，但它是一種不安全的、危險(xiǎn)的作法，不應(yīng)采用這種方法。
缺點(diǎn)
不管是從示波器上的升壓角度（對操作人員可能會發(fā)生電擊），還是由于地波器變壓器絕緣裝置上累積的應(yīng)力，這種技術(shù)都是危險(xiǎn)的。這種應(yīng)力可能不會立即導(dǎo)致故障，但即使示波器恢復(fù)到正確接地操作，將來仍可能會導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)故障（電擊和危險(xiǎn)）。
在較高的頻率上，切斷接地可能不會中斷接地環(huán)路，因?yàn)殡娫淳€供電的儀器在接地以上浮地時(shí)會表現(xiàn)出大的寄生電容。振鈴可能會破壞浮地測量。浮地示波器沒有均衡輸入。參考一側(cè)（探頭上的“接地”夾）有一個(gè)明顯的到地電容。參考點(diǎn)連接的任何源阻抗將在快速共模跳變中加載，使信號發(fā)生衰減。更糟糕的是，高電容可能會損壞某些電路。連接逆電器上方門中共用的示波器可能會使門驅(qū)動(dòng)信號速度下降，防止被測器件關(guān)閉，防止破壞輸入橋接器。這種故障通常伴隨著工作臺上出現(xiàn)小的火花。
另一個(gè)缺點(diǎn)是其一次只能進(jìn)行一項(xiàng)測量。記住，所有輸入?yún)⒖级枷嗷ダ壴谝黄稹Ｒ坏└〉匾粋€(gè)輸入?yún)⒖迹休斎雲(yún)⒖棘F(xiàn)在都在同一水平上浮地。
寄生電感和電容導(dǎo)致的振鈴使信號失真，使測量無效
泰克TPS2000B和THS3000系列IsolatedChannelÔ示波器
TPS2000B系列把泰克經(jīng)過驗(yàn)證的臺式示波器性能與專為測量工用電池操作的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的4條隔離通道結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。這種儀器與選配的電源捆綁套件（TPS2PBND2）配套使用時(shí)，確立了同類產(chǎn)品中的高級浮地測量標(biāo)準(zhǔn)。電源捆綁套件包括4只無源高壓探頭（P5122）及電源測量和分析軟件包（TPS2PWR1）。電源測量和分析軟件包提供了電源分析測量（真實(shí)功率、無功功率、真實(shí)功率因數(shù)、相角）、波形分析測量（RMS、波峰因數(shù)、頻率）、諧波測量及開關(guān)損耗測量。
THS3000系列是為使用示波器時(shí)要求更高流動(dòng)性、而又不降低臺式儀器性能或執(zhí)行浮地測量能力的工程師們設(shè)計(jì)的。這種手持式儀器堅(jiān)固耐用，重量型，一塊電池可連續(xù)工作7個(gè)小時(shí)，支持自動(dòng)測量功能，在實(shí)驗(yàn)室操作和現(xiàn)場操作中都提供了很大的通用性。該儀器的隔離通道、高壓采集（高達(dá)1000 VRMS CAT II）及高級波形記錄功能可以安全進(jìn)行浮地測量，特別適合經(jīng)常需要把實(shí)驗(yàn)室中的測量與現(xiàn)場中的測量關(guān)聯(lián)起來的用戶。
注意CAT和電壓
為進(jìn)行浮地測量選擇適當(dāng)?shù)碾妷禾筋^
怎樣選擇探頭和示波器組合：
1. 確定測量（或過壓）類別
IEC 61010-1國際標(biāo)準(zhǔn)為電壓測量儀器規(guī)定了四種過壓類別。一類到四類過壓都是依據(jù)瞬態(tài)信號期間可能存在的電氣能量多少確定的。
在IEC 61010-1中，電壓測量儀器根據(jù)耐受電壓瞬態(tài)信號的能力來劃分等級。
2. 確定最大浮地電壓
3. 確定最大尖端到接地電壓。
4. 確定從探頭尖端到參考引線的最大電壓。
5. 確定屏幕上希望的最大峰峰值讀數(shù)。
IEC安裝類別
為TPS2000B和THS3000系列示波器選擇適當(dāng)?shù)碾妷禾筋^
實(shí)例：
需要測量線路到線路240 VRMS三相Y型有源諧波濾波器上的峰峰值電壓。
1. 確定所需安裝類別的最大額定輸入電壓：三類
■某種類別等級允許的最大輸入電壓一般也適用于較低類別的環(huán)境。例如，如果儀器等級為300 VRMS CAT III，那么在二類環(huán)境中在300 VRMS的儀器上工作也是安全的。
■對更高的電壓電平，儀器會通常額外確定較低類別的等級值，如同時(shí)確定300 VRMS CAT III和600 VRMS CAT II。這種情況并不是通用的，因此用戶必須在儀器文檔中明確檢驗(yàn)透過多個(gè)類別的等級。
2. 確定要求的最大浮地電壓（接地到參考電壓）
■這一實(shí)例的測量要求為240 VRMS。
■因此，只有THP0301、P5150和P5122探頭適合。
3. 確定最大探頭尖端到接地電壓要求
■在本例中，工程師確定其大約為140 VRMS。
■全部四只探頭都滿足這一要求。
4. 確定從探頭尖端到參考引線的最大電壓
■預(yù)計(jì)被測信號的最大電壓是240 VRMS。
■這使探頭只限于從THP0301、P5150和P5122探頭中選取。
5. 確定需要的衰減
■計(jì)算與240 VRMS對應(yīng)的最大峰峰值電壓
■因此，所需的可以觀察的電壓范圍是：240 VRMS x √2 x 2 = 679 VP-P。
■TPS2000B系列在屏幕上最大垂直設(shè)置為5V/div，共8格。
■THS3000在屏幕上最大垂直設(shè)置為100V/div，共8格。
■需要的探頭衰減 = 觀察電壓 / 最大垂直設(shè)置 / 格數(shù)。
■TPS2000B：679 VP-P / 5 / 8 = 17x，只有P5150和P5122提供了足夠的衰減。
■THS3000：679 VP-P / 100 / 8 = 1x，所有探頭都提供了足夠的衰減。
6. 選擇滿足最低要求的探頭
■對TPS2000B，P5150和P5122探頭適合這一測試場景。
■對THS3000，THP0301、P5150和P5122探頭適合的這一測試場景。
