示波器基础系列之九 —— 关于高压测试中电压“测不准”问

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。

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！

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。

我们从仪器校准专业了解到，示波器在校准时，一般会把平坦度校准到+/-1.5%以内，这是比较严格的标准。这意味着，对于理想中的1V的正弦信号，测试的结果偏差15mv是很正常的。图三表示理想响应和实际的示波器响应之间的偏差。

图三 理想的响应和典型响应曲线之间的偏差

图四显示的是我们6GHz的幅频特性曲线。可以看出其最大偏差远小于+/-2dB。 示波器使用一段时间后平坦度会有些改变需要送校准机构进行校准。但通常很多第三方机构只能判断出幅频曲线是否合格，但并不能将平坦度校准到厂家能校准到的 水平。因此，现在常有些客户要求示波器原厂提供校准服务。如果比较两个不同品牌相同带宽的幅频特性，对于同一个频率点其幅值不可能是相等的。

　　　 　 图四 实际的幅频特性曲线图

3，环境