示波器探头基础系列之五《为什么进行差分测量？》

记住这一点非常重要：任何时候示波器进行任何电压测量都是在进行差分电压测量。根据定义，电压是测量两点之间电位差。 使用电压表的人很容易理解电压是两点之间电位差的概念：只使用一条电压表的引线是不能测量电压的，需要再将另一条引线连接到电压的另外一点，以提供参考点。在使用示波器时，我们有时会忘了示波器上显示的信号并不是简单的“该点上的信号”，而实际上是该点上的电压，因为它与另外某个点电位不同。

“有参考地”的测量

这个另外一的点通常是电路的地，一般假设其电压为零。例如，我们假设想使

图1：被测电路

图2 使用示波器连接的被测电路

用示波器测量图1中晶体管发射极的电压(参考接地)。这看上去可能是一条简单的电

路，但从图2中我们可以看出，在我们包括了示波器探头及示波器与电路之间的连接时，实际信号测量环境会变得很复杂。vA-B表示我们希望在示波器上显示的晶体管发射极电压波形。Zcircuit表示与晶体管发射极电阻R1并联之后的等效阻抗。我们需要将一个点作为电路中的“理想地”，以便拥有稳固的参考点。ZSCOPE GND是示波器电源线的接地线的阻抗。ZCOMMON是电路参考地和理想地之间的阻抗。iCOMMON表示其它的源(如连接被测电路的其它仪器)流经ZCOMMON的电流(地环路的电流)，这个电流得到电压VCOMMON。

示波器在屏幕上实际显示的波形是示波器的输入连接器导线的中心点的电位与连接器接地点的电位差的电压波形VC-G。在大多数情况下，显示的波形vC-G在很大程度上代表着探头连接的被测电路两点之间的电压vA-B的信号。通过考察图2中电路的各个部分，我们可以理解vC-G与vA-B存在差别的原因。

首先，如果iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的值为零，那么我们不需要使用探头的地线，因为在电路参考地和示波器接地之间没有电压差，但是，这些值并不是零，因此我们必须在探头上增加一个接地线，以并联其效应。在探头地线并联iCOMMON、ZCOMMON和ZSCOPE GND的效应时，它会有自己的电阻和电感，我们把这一阻抗称为ZGND LEAD，它取决于地线的长度。部分电流必须流出被测电路，流入示波器输入，以产生一个电压波形，即为示波器测量出的电压波形。流经探头地线阻抗ZGND LEAD产生压降使vC-G不同于vA-B。为说明这种效应，图3显示了使用示波器及示波器探头和不同的接地附件测量的方波。第一个波形是使用探头针状适配器测量的，它最大限度地降低了接地连接的长度。第二个波形和第三个波形是在探头上使用了36cm (14")和58cm (23")的地线。在许多测量中，地线阻抗引起的信号损坏可能是可以接受的，但非常重要的一点是知道存在这种信号损坏。再看一下图2，在iCOMMON流经ZCOMMON时，它会形成我们称为VCOMMON的电压。如果没有连接示波器探头，vCOMMON表示相对于A点和B点的“共模”电压，任一点上相对于“理想地”的电压波形都将包括VCOMMON。B点等于vCOMMON，A点等于（vA-B+ VCOMMON）。通过在B点连接示波器探头地线，我们可以降低但不能完全消除vCOMMON，其原因是ZGNDLEAD的值不可能是零。ZGNDLEAD、ZCOMMON和ZSCOPEGND构成一个环路，iCOMMON会流经这个环路产生的电压会进一步破坏波形vC-G。

图3 探头地线的影响

“没有参考地”的测量

断开示波器上的安全地，通常可以降低iCOMMON的影响。当vCOMMON电压很大时，这种使用方法可能会非常危险，在任何情况下我们都严格禁止这样做。断开示波器的安全地并不能消除流经ZGND LEAD的iCOMMON，因为ZSCOPE GND与示波器电源的变压器副边形成复杂的阻抗并联，而示波器变压器的寄生电容则与电源地线的阻抗ZPOWER TO GND串联。我们使用的vCOMMON模型也可以解释我们在进行“浮动”测量时通常会考虑的测量限制。我们假设vCOMMON是iCOMMON流过低阻抗电压源的输出，当测量浮地电源控制电路的电压时，vCOMMON是电源线电压。即使断开安全地的做法没有危险，流经示波器变压器的电容和电源线阻抗的iCOMMON仍会损害测量结果。 此外，与前面参考接地测量实例中一样，流经ZGNDLEAD的信号电流同样也会损害信号。 另外，还有一个不太相关的问题：把示波器机壳浮地可能会使示波器电源的变压器原边线圈和副边线圈之间产生超过其耐压范围的电压，从而损坏示波器。

差分电压测量

通过使用带有差分测量功能的示波器或前置放大器，可以大大降低这些损坏性的测量效应。图4表示有相同的参考接地的示波器和差分放大器的等效电路。理想的差分放大器只会放大+输入和