标签: 浮地测量

作者：陈曦 Seeger.Chen@philips.com ，Philips Lighting   ScopeArt按语： 关于接地，有三个著名的小众名言，其中之一是SI之父说的，“忘记地，记住那是信号回路”；另外一个是我们的一位ScopeArt先生说的，“对于使用单端探头测量，要努力地寻找干净的地”；第三个名言是工程师们的口头禅，“接地是永恒的话题”。本文作者陈曦先生来自于全球照明行业的领导者Philips Lighting，他的文章显示了他的积累。陈君对于仪器该怎样接地才是安全的给出了模型上的分析，一目了然。我今天重新读了之后，感觉到针对每种图形的文字解释少了点，但转念一想这样也好，可以引导您仔细地想一想这些图形的含义。 如果您有不明白的地方，欢迎来电来函。   一点小遗憾是，作者最后给出了一个非常重要的经验性结论：“在我们日常的测量中示波器浮地之后带来的误差在可以忽略的情况下，是不会影响我们的测量结果的。考虑到安全原因，我们还是尽量将示波器输入电源的地线断开的。”  但作者没有给出更多深入的分析和测试对比。 其实，关于这类话题正是我们在500场示波器巡回交流会中遇到次数最多的问题。欢迎有更多关注我们征文活动的朋友分享这方面更多的文章。 摘要： 作为电源工程师，我们工作中不可避免的要常常同电有亲密接触。安全第一是一句老生常谈的话，但是人总会有麻痹松懈的时候。这就要求我们不但要有安全的意识，实验台的仪器设置也要尽量以安全的方式来避免触电的发生。示波器是我们实验台上重要的一个仪器，如何安全并准确的使用与我们的工作息息相关。   引言： 首先一点，双线触电，同时接触两个带电点总是危险的，不能被可靠的保护。 而单线触电，即工作中无意中碰到带电部分，通过我们的安全设置，是可以保证安全的。这里还有一个前提是我们和大地是相连的 (不要依赖大地的绝缘，因为不是每处每刻都相同的)。   1 实验室的电气设备   这里我们对实验室的设备和电源做一些简化模型，以利我们后面的分析。人体我们视作与大地相连的电阻。   台式万用表，功率分析仪等   图1. 电气测量设备简化模型   示波器   图2. 示波器简化模型   被测样品 图3.被测线路简化模型   因为我们只作安全连结性的分析，因此设备模型只看输入输出，简化了其余部分。大多数的电气测量设备都是与输入电源隔离的，而我们的被测样品可能是直接整流，也可能有隔离电源，这里为了方便分析，我们统一视作从输入电源直接整流而来。另外值得注意的一点是示波器的无源探头的地是和输入线的地是连通的。 2 实验室的电气设备的连接   首先我们来看最不安全的情况 图4. 不安全的连接1   这种情况是最不安全的连接，所有设备，包括被测样品都直接连接到市电上，这样的情况下，不但人体接触到被测样品会有危险，甚至被测样品自己都会有短路危险。因此我们需要一个隔离的电源来给被测试品供电。下面两个图示的被测试样品采用了隔离电源，但仍然是不安全的。     图5. 不安全的连接2   虽然被测试品采用了隔离电源，但是由于示波器的地连接到了大地，被测试品的输出电压仍能通过人体形成回路造成触电的危险。   图6. 不安全的连接3   上图很多人认为是安全的连接了，这就是我们常看到的示波器接地线被断开的情况。但实际上还是存在安全隐患，如果电源连接的示波器过多，就会造成流过Y电容的电流累积超过安全电流的危险。因此我们需要把示波器都连接到隔离电源上。   图7. 安全的连接3   上图就是我们推荐的安全连接设置，此时人体单点接触到被测试品的任何一点都不会有触电危险。有人会问，如果示波器全部采用隔离探头不是就不用断开示波器的电源接地线了吗。确实是这样，但是由于隔离探头的带宽限制，以及不适用于测量小信号，我们不可能只使用隔离探头。   3示波器浮地测量   我们都知道任何测量都要基于一个参考点。之所以示波器的探头地要连接到大地，就是因为大地是一个参考零电平。地球上的任何一个点都对大地有一个相对电位，都会有寄生电容连接到大地。而我们将示波器浮地之后，不可避免的会引入一个共模信号。实际上测量中还是存在各种分布电容和电感，就算连接到大地，线上的电阻和寄生参数也是存在的。在我们日常的测量中示波器浮地之后带来的误差在可以忽略的情况下，是不会影响我们的测量结果的。考虑到安全原因，我们还是尽量将示波器输入电源的地线断开的。

隔离 输入示波器测量            采用 IsolatedChannel Ô 输入结构的示波器，如 TPS2000B 或 THS3000 系列，提供了真正的、完整的通道到通道和通道到电源线隔离能力。每条通道相互单独隔离，同时与其它非隔离器件隔离。            在使用 IsolatedChannel Ô 示波器进行浮地测量时，必须使用专门设计的无源探头，如 TPP0201 ，进行高达 30 V RMS 的浮地测量；或使用 THP0301 ，进行高达 300 V RMS 的浮地测量；或使用 P5122/P5150 探头，进行高达 600 V RMS 的浮地测量。与大多数传统示波器使用的无源探头不同，这些类型的探头在 BNC 连接上绝缘，防止发生触电；参考引线是为耐受额定浮地电压而设计的。   1. 优点：          隔离输入通道示波器为进行浮地测量提供了一种安全可靠的方式。通道到通道隔离和通道到接地隔离的明显好处是能够同时观察参考到不同电压的多个信号。            另一个优点是能够在不增加专用探头成本或昂贵笨重的电压隔离器的情况下实现这一点。通道到电源线隔离消除了信号源接地与示波器之间的路径。   2. 缺点：         与差分探头不同，隔离输入通道没有提供均衡浮地测量。到接地的阻抗在尖端 (+) 输入和参考 (-) 输入之间是不同的。由于隔离通道的参考 (-) 输入不象接地示波器那样有默认的参考电平，因此必须把探头的参考引线连接到 DUT 的参考点上。           由于没有到接地的分路，因此荧光灯和大楼布线放射的工频场可能会在示波器读数上导致更多的基线噪声。使用平均采集模式会减轻这种基线噪声提高。   差分探头测量         通过使用差分探头系统，可以通过泰克 TDS/DPO/MSO 和大多数其它接地示波器进行浮地测量。某些差分探头 ( 如 P6246 、 P6247 、 P6248 和 P6330) 是为幅度较低的快速信号优化的。其它探头 ( 如 P5200A 、 P5205A 和 P5210A) 则处理速度较慢、电压幅度较高的信号。 ADA400A 差分前置放大器即使在高噪声环境中，仍能显示低频率、超低幅度的差分信号。   1. 优点         差分探头为调整接地示波器进行浮地测量提供了一种安全的方法。除安全性优势外，使用这些探头可以改善测量质量。差分探头提供了均衡测量输入电容，因此可以使用任意一条引线安全地探测电路中任何点。在比电压隔离器更高的频率上，差分探头一般 CMRR 性能更好。           另一种优点是全面利用示波器的多条通道，同时观察多个信号，参考不同的电压。   2. 缺点         探头仍有一条到接地的电阻路径，因此如果电路对泄漏电流灵敏，那么差分探头可能并不是最佳的解决方案。           其它缺点包括增加了一层成本，具体视示波器功能，可能要求独立的电源，这增加了成本和体积。在出厂时，必须手动确定每种测量的增益和偏置特点。   电压隔离器测量           顾名思义，隔离器在浮地输入与参考地电平输出之间没有直接的电气连接。信号通过光学或分路光学 / 变压器手段耦合。   1.优点         电压隔离器为安全测量浮地电压提供了一种手段，由于隔离器没有到地的电阻路径，因此对泄漏电流异常灵敏的应用来说，它们是一个很好的选择。   2.缺点         电压隔离器增加了一层成本。必须使用单独的电源和隔离放大器箱。在出厂时必须为每一项测量手动确定增益和偏置特点。   “ A - B ”测量 ( 伪差分测量 )          “ A - B ”测量技术可以使用传统示波器及无源电压探头，间接进行浮地测量。一条通道测量“正”测试点，另一条通道测量“负”测试点。从第一个测量值中减去第二个测量值，去掉两个测试点的公共电压，以便观察不能直接测量的浮地电压。示波器通道必须设置成相同的伏特 / 格；探头应与示波器配套，使共模抑制比达到最大。   1.优点         使用“ A - B ”测量技术的优势在于，几乎任何示波器和标配探头都可以简便地完成这一点。记住，两个测试点必须参考地电平。因此，如果任意一个测试点都是浮地的，或如果整个系统都是浮地的，那么不适用这种方法。   2.缺点         在进行“ A - B ”测量时，要使用两条示波器通道。这种技术的主要限制是共模范围相当小，这源于示波器的垂直通道动态范围。一般来说，其不到来自地电平的 volts/division 设置的 10 倍。在共模电压大于差模电压时，“ A - B ”测量技术可能会被认为是从两个大电压中提取小的差异。这种技术适合共模信号的幅度与差模信号相同或低于差模信号，且共模成分是 DC 或低频，如 50 Hz 或 60 Hz 电源线的应用。在测量幅度适中的信号时，它从测量中有效消除了接地环路电压。   “浮地”传统接地示波器           使用不会把接地传送到次级电路的隔离变压器，或通过把示波器的 AC 市电电源线接地连接器，是一种常用的有风险的示波器浮地测量方式。          “浮地”参考地电平示波器把所有可以接触的相同电压的金属 ( 包括机箱、机壳和连接器 ) 作为探头参考引线连接的测试点。 1.优点         尽管浮地设备是一种利用现有设备进行浮地测量，消除频率较低的信号上接地环路的方法，但它是一种不安全的、危险的作法，不应采用这种方法。   2.缺点         不管是从示波器上的升压角度 ( 对操作人员可能会发生电击 ) ，还是由于地波器变压器绝缘装置上累积的应力，这种技术都是危险的。这种应力可能不会立即导致故障，但即使示波器恢复到正确接地操作，将来仍可能会导致发生危险故障 ( 电击和危险 ) 。           在较高的频率上，切断接地可能不会中断接地环路，因为电源线供电的仪器在接地以上浮地时会表现出大的寄生电容。振铃可能会破坏浮地测量。浮地示波器没有均衡输入。参考一侧 ( 探头上的“接地”夹 ) 有一个明显的到地电容。参考点连接的任何源阻抗将在快速共模跳变中加载，使信号发生衰减。更糟糕的是，高电容可能会损坏某些电路。连接逆电器上方门**用的示波器可能会使门驱动信号速度下降，防止被测器件关闭，防止破坏输入桥接器。这种故障通常伴随着工作台上出现小的火花。           另一个缺点是其一次只能进行一项测量。记住，所有输入参考都相互**在一起。一旦浮地一个输入参考，所有输入参考现在都在同一水平上浮地。   想了解更多测试测量最新资讯？想与测试测量专家互动？敬请关注泰克科技官方微博： http://weibo.com/tekchina