示波器基础系列之九 —— 关于高压测试中电压“测不准”问

2015-10-27 09:01:26   来源:eefocus   

关键字: 示波器  基础系列  高压测试

在拜访电源客户时,我们常常遇到这样一个现象:测试高压时不同品牌的示波器测试的结果差别很大。有一次对比测试中我们发现测试大约450V的MOSFET的Vds电压,三台示波器的最大差别有50V左右; 同一品牌不同型号的示波器差别也很大; 同样的示波器不同探头测量结果有时差别也很大。  对于电源客户而言,MOSFET的电压应力测试是一项关键指标,决定了电路的调试,电源的使用寿命,MOSFET器 件的选型等。客户一提起这个问题,我总说,我理解,我很理解,因为我在做电源工程师时也遇到同样的问题,也为这问题苦恼过。我记得在写测试报告时要标明是 用什么型号的示波器和什么序列号的探头测试出来的结果。但我想很多电源工程师并不理解这个问题的理论根源,常常追问我,到底哪个结果可信?甚至有些很较真 的工程师用标准的AC Source来作为信号源来“计量”哪一台示波器是准确的,但往往是很失望,没有一台示波器的结果能“相信”,有的有效值“测不准”,有的幅值“测不准”,有的峰峰值“测不准”,因为有效值和幅值之间存在2倍根号2的关系,没有示波器测试出来的结果符合这个关系式,甚至有的客户和我争论一定是峰峰值满足2倍根号2关系才对,幅值是不对的。 因此,我早觉得是有写一点东西来解释这个问题的必要了。 

高压“测不准”的原因其实很简单,还是我常强调的四个因素:第一是示波器的量化误差问题,第二是示波器的幅频特性曲线的平坦度问题;第三是环境噪声的干扰问题,第四是探头的共模抑制比和快恢复特性问题。

   1,量化误差的概念  

(在之前的多篇文章中我们都谈到了量化误差对示波器测量的影响。为保持单独这篇文章的完整性,我们还是重复一下这相关的解释。) 

 我们都知道,示波器的A/D只有8位,也就是说对于任何一个电压值都只有256个0和1来重组,如果包括+/-符号位,示波器的数字量程是-128—+127。图一很清楚地显示了这种数字化采样的原理,示波器的屏幕最顶部代表的是+127,中间代表的是0,最底部代表的是-128。这种原理就产生了使用示波器的第一原则:最小化量化误差。这个原则告诉了我们使用示波器的一个常识,为获得最接近于真实值的电压值,应使垂直分辨率尽可能地小,使显示的波形尽量占满示波器的屏幕。   

图二分别表示在1V/div和200mv/div的时候测试相同的信号的效果。在1V/div的时候,示波器的最小量化误差是(1V*8)/256=31.25mv,这意味着小于31.25mV的信号是无法准确测量出来的。而对于高压测量,假设量程是100V/div,示波器的量化误差是800V/256=3.125V,这意味着小于3.125V的信号是无法准确测量出来的。

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      图一  量化误差原理的解释

我常举下面的更令人印象深刻的例子来说明量化误差:将探头的地和信号针直接相连悬在空中,比较量程为20mV/div和100V/div时的pk-pk值,其差异是多大?几十伏的差异!!您现在就可以做这个实验。这表示在100V/div时测试出来的20V的信号,实际上只有不到20mV!  所以对于测量800V的高压, 20V的误差是非常非常正常的! 50V也是非常正常的! 

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               图二 在不同量程下的测试效果 

   2,幅频特性曲线平坦度问题

就示波器的行业标准而言,示波器幅频曲线距离理想响应的偏差允许达到+/-2dB,这对有些精确度要求很高的测量似乎是很不能接受的误差范围。因此,示波器并没有在测量界定义为计量的工具,它只能说是调试的工具或测试的工具。 

此外,不同型号的示波器,不同品牌的示波器,其前端放大器的响应曲线也是有差别的,有的是高斯响应,有的是矩形响应,有的是四阶贝塞尔响应。对于输入相同频率的信号,不同示波器的垂直参数的测量结果肯定是不一致的,不同垂直通道设置下的测量结果也应是不一致的。 

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/1027/article_13695.html
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