示波器的差分信号测量

2012-01-21 16:59:50来源: 互联网
示波器的差分信号测量

初步介绍差分测量、放大器类型、应用及怎样避免常见错误

当存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪声时,使用传统示波器探头不能测量模拟的4 mVp-p心跳波形(上图)。差分放大器则可以从噪声中提取信号。

引论
所有测量都是两点测量
人们一直在一条电路的两点之间测量电压,不管是使用电压表还是使用示波器。当示波器探头接触电路中的一点时,即使没有连接地线,通常也会在显示器上出现波形。在这种情况下,测量的参考点是经过示波器机箱的安全接地通往电路中的电气地。
数字电压表通过两个探头测量两点之间的电位。由于这两个探头是彼此隔离的,因此这两点可以位于电路中任何地方。但情况并不总是如此。在数字电压表出现前,人们使用VOM(万用表)手持式仪表测量“浮动”电路。由于这些仪表是无源的,因此它们往往会给被测电路带来负荷。使用高阻抗VTVM(真空管电压表),可以执行侵入性较小的测量。VTVM 有一个重大的局限性,即其测量总是以地为参考点。VTVM外壳接地,并连接到参考引线上。由于固态增益电路的问世,高性能电压表可以与地线隔离,从而可以执行浮动测量。
目前的大多数示波器,如老式VTVM,只能测量以大地为参考点的电压,地线则连接到示波器机箱上。这称为“单端”测量,探头地线提供了参考通路。遗憾的是,有时这种局限性会降低测量的完整性,或不可能进行测量。

如果被测电压位于两个电路节点之间而且这两点均未接地,那就不能使用传统的示波器探测技术。常见的实例是测量开关电源中的栅极驱动信号(参见图1)。
像普通电话线路中的那种平衡信号(在两条引线之间,且没有地回路)是不能直接测量的。我们将会看到,甚至某些“以地为参考”的信号也不能如实地使用单端技术来测量。

如果地线不成其为地线
我们都听说过“接地环路”,书本上教我们避免“接地环路”。但接地环路是怎样破坏示波器测量的呢?当两条或多条单独的接地通路聚结于两点或多点时,将会产生接地环路。其结果是导体连成了一个环。当出现变化的磁场时,这个环就成了变压器的次级,其本质是一个短路线匝。在其附近传送非直流电流的任何导体都可以产生激励这个变压器的磁场。主配线中的交流线电压、甚至数字集成电路的输出引线,都可能产生这种激励。在环路中循环的电流会在环路内任何阻抗的两端产生电压。这样,在任何给定的瞬间,接地环路中的不同点将不处在同一电位。把示波器探头的地线连接到被测电路的地上,如果电路“接地”到大地,就会形成接地环路(参见图2)。循环电流作用在探头通路内部的阻抗上会在其中产生电压电位。

图1. 在测试点TP1 和TP2 之间测量开关电源中的栅极驱动信号。两点都没有接地。

图2. 示波器探头形成的接地环路。示波器的金属机箱和被测器件连接到安全地和内部电源公用线上。示波器探头地则通过输入端BNC 连接器连接到示波器机箱上。

这样,示波器输入端BNC 连接器上的“地”电位就不同于被测电路中的地电位(也就是说“地线不成其为地线”)。这种电位差可以是几微伏,也可以高达几百毫伏。由于示波器以输入端BNC 连接器外壳作为测量参考点,故显示的波形可能并不代表探头输入端上的实际信号。当被测信号的幅度下降时,误差会变得更加明显,这在传感器和生物医学测量中十分常见。
在这些情况下,人们经常会去掉探头的接地线。只有在测量频率极低的信号时,这种方法才有效。在较高的频率上,探头开始在信号中增加因谐振电路(由触点电容和屏蔽电感组成)产生的“环”(参见图3)。(正因为如此,您永远要使用尽可能短的地线。)

图3. 探头触点电容和接地电感形成的串联谐振电路。

我们现在遇到了一种两难的情况:造成接地环路,在测量中增加误差;或去掉探头地线,在波形中增加环!为了断开接地环路而经常试用的第二种方法是“浮动”示波器或“浮动”被测电路。“浮动”是指在被测设备上或在示波器上使安全接地的导线开路从而断开与大地的连接。浮动示波器或浮动被测设备(DUT)之后,便可利用短地线使环达到最小,而且不会产生接地环路。

这种作法本身具有危险性,因为在主配线发生短路时,它会使电击保护措施失效。(某些专用电池操作的便携式示波器采用绝缘材料,可以安全进行浮动测量。) 在严格接地的示波器(或被测设备)的电源线中放一个合适的接地故障断路器(GFCI),可以恢复操作人员的安全。但要知道,如果没有低阻抗的接地连接,示波器的放射辐射和传导辐射现在可能会超过政府标准,也会给测量本身造成干扰。在较高的频率上,断开接地线也不可能打破接地环路,因为“浮动”电路实际上通过杂散电容耦合到大地(参见图4)。

图4. 使用接地的示波器探测“浮动的”电池供电手机。手机电路和钢制工作台构架之间的电容对高频率构成了虚拟接地环路。即使测量系统没有引入接地环路,被测设备内部仍可能存在“地线不成其为地线”的综合症(参见图5)。大的静态电流和高频电流作用在设备接地通路中的电阻性元件和电感性元件上便产生了电压梯度。在这种情况下,电路中某一点的“地”电位将不同于另一点的“地”电位。

图5. 接地布线系统中的微小寄生电感和电阻导致VG ≠ V’G。

例如,系统中高增益放大器的输入端的地与电源的“地”电位相差几毫伏。为了精确地测量放大器所看到的输入信号,探头必须参考放大器输入端的地。这些效应多年来一直是灵敏模拟系统的设计人员所面临的挑战。在快速数字系统中也有同样的效应。接地布线系统中的微小电感可能会在其两端产生电位,导致“地面反跳”。检修受到接地电压梯度影响的系统是非常困难的,因为设计人员不能真正查看各个器件所“看到”的信号。把示波器探头地线连接到器件的“接地”点上,会导致不确定性,这些不确定性使新通路的影响添加到接地梯度中。在连接探头地线时,如果电路中的问题变好(或变差),则表明确实发生了变化。我们真正需要的是一种能够用示波器测量可疑器件输入端上的实际信号的方法。
通过使用适当的差分放大器、探头或隔离器,可以执行精确的两点示波器测量,而不会引入接地环路或使测量失败、扰乱被测器件或使用户面临电击危险。
市场上为示波器提供了多种差分放大器和隔离系统,每一种都针对特定的一类测量进行了优化。为了选择合适的解决方案,必需理解各种术语。

差分测量基础
差分测量概述
理想的差分放大器放大两个输入端之间的“差”信号,而且会彻底抑制两个输入端共用的任何电压(参见图6)。其转换公式是:
VO = AV( V+in - V-in)
其中VO 参考大地电位。
受关注的电压,或差信号,称之为差分电压或差模信号,表示为VDM(VDM 就是上述转换公式中的V+in - V-in)。
两个输入端共用的电压称为共模电压,用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性称为共模抑制或CMR。理想的差分放大器会抑制所有的共模成分,不管其幅度和频率是多少。

图6. 差分放大器

在图7中,差分放大器用于测量逆变器电路中上部的MOSFET(场效应管)栅极驱动信号。随着MOSFET 的通和断,源极电压从正的电源汇流条摆到负的电源汇流条。变压器可以使栅极信号以源极为参考点。差分放大器允许示波器以足够的分辨率(如2 V/ 分度)测量实际VG S 信号(摆幅为几伏),同时抑制几百伏的源极到地的跃迁。

共模抑制比(CMRR)
差分放大器的实际实现方案并不能抑制所有的共模信号。少量共模信号将作为误差信号出现在输出中,无法从预期的差分信号中辨别出来。衡量差分放大器消除不希望的共模信号的能力,称为共模抑制比或简写为CMRR。CMRR的真正定义是“差模增益除以相对于输入的共模增益”:
CMRR =ADM / ACM

图7. 用来测量逆变器桥电路中上部晶体管的栅极- 源极电压的差分放大器。注意在测量过程中,源极电位变化了350V。

图8. CMRR为10,000:1的差分放大器的共模误差。

图9. 对共模抑制进行试验测试。由同一点驱动两个输入端。残留的共模出现在输出端。此项测试没有发现不同的源极阻抗的影响。

这是在实际测量环境中确定共模抑制误差范围的一种便利的测试方法。但有一种效应是这个测试没有捕获到的。两个输入端接到同一点上,在放大器看来驱动阻抗没有差别。这种情况会产生最佳的CMRR。当差分放大器的两个输入端是由差别明显的源极阻抗驱动时,CMRR 值会降低。这种效应的详情将在以后讨论(参见第13 页输入阻抗对CMRR 的影响)。

其他指标参数
差模范围相当于放大器或单端示波器输入端的输入范围指标。超出此范围的输入电压将使放大器受到过渡驱动,导致输出被削波或非线性失真。

共模范围是放大器能够抑制共模信号的电压窗口。共模范围通常大于或等于差模范围。共模范围有可能随着放大器增益的不同设置而改变,这取决于放大器的拓扑。超出放大器的共模范围可以在输出端导致各种结果。在有些情况下,输出波形未被削波,可以生成与真实的输入信号非常近似的输出波形,但有一些附加的偏移。这时显示的波形与期望的波形非常接近,足以让用户毫不迟疑地接受。在进行差分测量前先检验共模信号是否处于可接受的共模范围之内,总不失为一个好方法。
最大共模转换速率适用于某些差分放大器和大多数隔离器。这项指标常令人困惑但却非常重要。一部分困惑缘自仪器制造商之间缺少标准的定义。而且不同的放大器和隔离器在超出最大共模转换速率时的表现也不尽相同。最大共模转换速率实质上是对CMRR 指标的补充。本指标的单位一般为kV/μs。
有些类型的差分放大器也像其他放大器一样,在超出小信号的带宽指标之前就超出了大信号转换速率的限制。当差分放大器一端或两端被驱动到转换速率的极限时,共模抑制就会急剧降低。与CMRR 不同的是,最大转换速率并不意味着输出端共模馈通量的增加。一旦超过了最大共模转换速率,一切均无从谈起- 输出就像被钳位在一个电源汇流条上。
但是对于隔离器来说,这种影响表现得为更加渐进- 就像差分放大器中的CMR一样。随着共模转换速率的增加(与频率相对),有更多的共模成分“馈通”到输出端。这个指标从直觉上表示的是在输出端出现已知的馈通量时的最大共模转换速率。需要注意的是,某些隔离器的共模转换速率实际上就是最大非破坏性极限。这一点非常重要。当转换速率比最大指标低得多时,进行有意义的测量的能力将会受损。在使用隔离器时,最好能在重要的测量之前先测试共模馈通。这很容易做到,只需在探头触点和参考线上都用同一共模信号驱动并观察输出信号。

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0121/article_13793.html
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