示波器基礎系列之九 —— 關於高壓測試中電壓「測不準」問

在拜訪電源客戶時，我們常常遇到這樣一個現象：測試高壓時不同品牌的示波器測試的結果差別很大。有一次對比測試中我們發現測試大約450V的MOSFET的Vds電壓，三臺示波器的最大差別有50V左右; 同一品牌不同型號的示波器差別也很大; 同樣的示波器不同探頭測量結果有時差別也很大。  對於電源客戶而言，MOSFET的電壓應力測試是一項關鍵指標，決定了電路的調試，電源的使用壽命，MOSFET器 件的選型等。客戶一提起這個問題，我總說，我理解，我很理解，因為我在做電源工程師時也遇到同樣的問題，也為這問題苦惱過。我記得在寫測試報告時要標明是 用什麼型號的示波器和什麼序列號的探頭測試出來的結果。但我想很多電源工程師並不理解這個問題的理論根源，常常追問我，到底哪個結果可信？甚至有些很較真 的工程師用標準的AC Source來作為信號源來「計量」哪一臺示波器是準確的，但往往是很失望，沒有一臺示波器的結果能「相信」，有的有效值「測不準」，有的幅值「測不準」，有的峰峰值「測不準」，因為有效值和幅值之間存在2倍根號2的關係，沒有示波器測試出來的結果符合這個關係式，甚至有的客戶和我爭論一定是峰峰值滿足2倍根號2關係才對，幅值是不對的。 因此，我早覺得是有寫一點東西來解釋這個問題的必要了。 

高壓「測不準」的原因其實很簡單，還是我常強調的四個因素：第一是示波器的量化誤差問題，第二是示波器的幅頻特性曲線的平坦度問題;第三是環境噪聲的幹擾問題，第四是探頭的共模抑制比和快恢復特性問題。

   1,量化誤差的概念  

(在之前的多篇文章中我們都談到了量化誤差對示波器測量的影響。為保持單獨這篇文章的完整性，我們還是重複一下這相關的解釋。) 

 我們都知道，示波器的A/D只有8位，也就是說對於任何一個電壓值都只有256個0和1來重組，如果包括+/-符號位,示波器的數字量程是-128—+127。圖一很清楚地顯示了這種數位化採樣的原理，示波器的屏幕最頂部代表的是+127,中間代表的是0，最底部代表的是-128。這種原理就產生了使用示波器的第一原則：最小化量化誤差。這個原則告訴了我們使用示波器的一個常識，為獲得最接近於真實值的電壓值，應使垂直解析度儘可能地小，使顯示的波形儘量佔滿示波器的屏幕。   

圖二分別表示在1V/div和200mv/div的時候測試相同的信號的效果。在1V/div的時候，示波器的最小量化誤差是（1V*8）/256=31.25mv,這意味著小於31.25mV的信號是無法準確測量出來的。而對於高壓測量，假設量程是100V/div,示波器的量化誤差是800V/256=3.125V，這意味著小於3.125V的信號是無法準確測量出來的。

      圖一  量化誤差原理的解釋

我常舉下面的更令人印象深刻的例子來說明量化誤差：將探頭的地和信號針直接相連懸在空中，比較量程為20mV/div和100V/div時的pk-pk值，其差異是多大？幾十伏的差異！！您現在就可以做這個實驗。這表示在100V/div時測試出來的20V的信號，實際上只有不到20mV！  所以對於測量800V的高壓, 20V的誤差是非常非常正常的！ 50V也是非常正常的！ 

               圖二 在不同量程下的測試效果 

   2，幅頻特性曲線平坦度問題

就示波器的行業標準而言,示波器幅頻曲線距離理想響應的偏差允許達到+/-2dB，這對有些精確度要求很高的測量似乎是很不能接受的誤差範圍。因此,示波器並沒有在測量界定義為計量的工具,它只能說是調試的工具或測試的工具。 

此外，不同型號的示波器，不同品牌的示波器，其前端放大器的響應曲線也是有差別的，有的是高斯響應，有的是矩形響應，有的是四階貝塞爾響應。對於輸入相同頻率的信號，不同示波器的垂直參數的測量結果肯定是不一致的，不同垂直通道設置下的測量結果也應是不一致的。 [page]

 我們從儀器校準專業了解到，示波器在校準時，一般會把平坦度校準到+/-1.5%以內，這是比較嚴格的標準。這意味著，對於理想中的1V的正弦信號，測試的結果偏差15mv是很正常的。圖三表示理想響應和實際的示波器響應之間的偏差。

       圖三 理想的響應和典型響應曲線之間的偏差

圖四顯示的是我們6GHz的幅頻特性曲線。可以看出其最大偏差遠小於+/-2dB。 示波器使用一段時間後平坦度會有些改變需要送校準機構進行校準。但通常很多第三方機構只能判斷出幅頻曲線是否合格，但並不能將平坦度校準到廠家能校準到的 水平。因此，現在常有些客戶要求示波器原廠提供校準服務。如果比較兩個不同品牌相同帶寬的幅頻特性，對於同一個頻率點其幅值不可能是相等的。    

　　　 　  圖四  實際的幅頻特性曲線圖

 3，環境噪聲的幹擾問題

幹擾的傳播有兩個來源，一個是傳導，一個是輻射。前者指幹擾沿著導線介質來傳播，後者是指通過空中的電磁場的耦合。這兩個因素都會影響測試結果。

地環路常是傳導的介質。在我做電源研發的時候,我 記得大家流行的一句口頭禪是，接地和電流採樣是永恆的話題。電流採樣的難點也是和接地有關的，因為通過小電阻來採樣電流後得到的電壓非常小，在強電環境中 非常容易受到幹擾，特別是地帶來的幹擾給控制環路的設計帶來難題。「地」的問題是更複雜的話題，我的功底很難講清楚，我只是講一些這方面的「故事」吧。

專業的工業廠房的「大地」有很專業的接地措施。之前聽公司的EMC專家講起公司的廠房是如何做地的過程，讓我當時深刻體會到「專業主義」真是無處不在。在google中 搜索「接地公司」會發現有很多這樣的公司。記得我第一次對「地」有深刻印象是和導師一起去廠方做實驗，導師拿著一根線跑了廠房外面十幾米的地方將那根線埋 到滿是泥的池塘裡。因為當時覺得那個實驗環境下廠房的地幹擾太大。我常把「大地」比如成波瀾不驚的大海，而每一個和大地連接的電子設備的地就如流向這大海 的無數條河流。每個電子設備在工作的時候就會使河流入海口的地方的海水變「混濁」，如果在這附近有另外一個電子設備也在工作，這條河流變混濁的海水會影響 到另外一個河流，這時候另外一個設備甚至可能不能正常工作。這種相互混濁的過程帶來了一門科學，就是EMC。 我剛入職的時候聽公司的大佬講到，電源設計的最高境界是EMC設計和結構設計，當時沒有很以為然，後來的研發實踐和現在從事示波器的銷售過程中，這種感受一天比一天強烈。河流的相互混濁即每個電子設備或實驗單板的工作地相互幹擾的現象比比皆是。我之前做3000W的AC-DC電源項目的時候，我猶記得每次做實驗的時候，當我要將負載加到50A的電流的都會叫停同一個實驗室中其他的同事停止工作，否則我的示波器上的波形非常糟糕，根本無法看清。功率越大，對地的幹擾越大。記得當時做一個三相單極PFC的項目，為了能使THD在半載以上小於5%,我們只有每天早晨八點之前到公司做實驗才能滿足這個指標。（大功率的AC Source很貴，很難借到）

以上這些比方和故事會使我們深刻認識到地之間的相互幹擾是必須要嚴肅對待的問題。在示波器的測量中，我們強調一定要三相供電，將示波器的地接到「乾淨的」地上。但實際的測量環境中，乾淨的地很難找到，這時候測量結果就要考慮到地環路的影響。  我看到很多客戶將示波器的按地插頭去掉，用兩相電源線給示波器供電，試圖通過這種方法來避免環境地的幹擾以及解決懸浮的高壓測試問題。這種浮地的方法是儀器廠家強烈反對的做法，它可能會導致示波器損壞，DUT損壞，還有可能帶來人身安全問題,而且更重要的是，會導致測試波形的嚴重失真。以示波器的機殼作為參考點的測量能準確嗎？  一定要讓示波器的地牢固地接到乾淨的地上，而地不乾淨的時候要想法設法找到乾淨的地接到示波器的地。地是探頭取樣的參考點，必須是乾淨的才能得到最準確的測量結果。

關於輻射，每個人都會有強烈感受。這是一個處處充滿輻射的世界。輻射對測量的影響的故事也很多很多。

對於一個48V/50A的通信電源，業界要求輸出電壓的紋波峰峰值是100mV以內，這個指標是指將電源蓋上機殼後的指標。蓋機殼是最後做的事情，做一個項目先設計出單板，連機殼是什麼樣都不知道。這時候我們在測試中需要將示波器的帶寬限制為20M。在不蓋機殼測試為200mV的時候，老闆說「蓋上蓋子就滿足了，不用再折騰了。」 這就是經驗，因為老闆之前有比較過揭開蓋子和蓋上蓋子的差別！ EMC似乎是關於經驗的學問。

單 端探頭的線差不多都有一米長，我們將這些線懸在空中和將這線儘可能地縮短然後用手握住，測試結果會有多大差別？這又是經驗。在將負載增加的過程中，為了能 從示波器中看出信號的端倪，我不得不不斷地折騰探頭的線，一會鬆開線看看波形，一會又將線裹在一起握住看看波形。這種痛苦對於弱電的研發是感受沒有那麼強 烈的。 [page]

有時侯有些工程師為了省事，同時用多個通道時，只將一個探頭的地線接上，這無疑為對測量結果影響很大。探頭的地線越短越好，地線和信號線之間的環路面積越大，輻射帶來的影響越大。這在霍華德那本經典書中一開始就有談到。 

有時候探頭的地線被磨損了，測試的波形看起來是一條直流信號上有很多細小的毛刺。有一次我查看這種毛刺的來源，找了半天才發現這根探頭的地線是工程師自己做的。沒有很好屏幕效果的地線也會極大地增加輻射的幹擾，在高壓測試中很輕鬆地帶來 100V以上的誤差。  

在用高壓差分探頭測試時，需要將兩條線絞在一起而不要讓它們自由地散開。這是常識，但很多工程師都沒有意識到。

有一次，一個工程師投訴我說，用我們兩個相同型號的探頭測試同一個被測點，交換通道後幅值差別很大。後來我查了半天，發現本質原因不是交換通道，而是和兩個探頭的線的擺法有關。兩根線的位置不一樣測試的結果就不一樣。

所以，我們在看到一個現象的時候總要去反覆做一些交叉實驗，對比測試後才能找出現象後面的原因，最終解決問題或得出結論。

   傳導和輻射，我們在測試的時候總要考慮到這兩點對測試結果的影響。 

 

 4，探頭的共模抑制比和快恢復特性問題

 我 們關注的信號總是兩個信號相減的結果，對於單端信號，是被測點的電位和地相減，對差分信號，是兩個相對地的差分信號之減。我們希望示波器測試到的信號是探 頭的減法效應之後沒有引進對地的共模噪音。這在實際中是不可能的。因此，探頭的共模抑制比越大，測試出來的結果越準確。不同的探頭共模抑制比不一樣。單端 探頭的共模抑制比很低，只有幾千分之一，而普通的高壓差分探頭，如力科的ADP305,T公司的P52XX等共模抑制比為一萬分之一。這在高壓測試中是不夠的。如在測試全橋或半橋電路的上半橋Vds電壓時，MOSFET關斷時的Vds電壓為400V以上，在MOSFET導通時的Vds電壓只有100mV，我們需要在示波器中清晰地看到 100mV，這意味著示波器和探頭構成的測試系統能夠從400V電壓中拾取100mV的小信號，這需要探頭具有10萬分之一的共模抑制比。在這個世界上，只有力科的差分放大器DA1855A具有這樣高的共模抑制比。 

此外，還有很重要的一點是，對於Vds電壓測試，由於從400V電壓跳變到100mV的電壓是瞬間的突變，如果探頭沒有很好的快過驅動恢復能力，會導致示波器過驅動，測試出來的結果也是不準確的。MOSFET導通時的100mV的電壓測試出來的結果可能為負的十幾伏。大家可以立即去確認下這一點:在50V/div的量程下看到導通時的波形是一條零線，但將量程調節到100mV/div的時候，就看到零線變成了負線，有的時候還會看到這負線不是恆定的，而是上下跳動著的。在這個世界上，只有力科的差分放大器DA1855A提供了很好的過驅動恢復能力，使得能準確測試出MOSFET在導通時的低電壓，從而測試出來的Vds電壓值才是最準確的。這就好比一個人騎著一輛自行車從60度的陡坡衝下來，如果這自行車沒有很好的剎車系統，它是無法停留在它本來應停留的位置，總會衝得更遠。如果您曾騎車下坡撞到了牆上就會對此印象深刻。

圖五所示為差分放大器DA1855A的工作原理和外觀圖。

   圖五 具有快過驅動恢復特性和高共模抑制比的DA1855A

綜上所述，我們知道，測量是科學，也是一門藝術。既需要理論的指導，也需要實踐經驗的總結。總結了經驗之後，我們需要對測試規範做更細緻的描述，對於有些測試指標應重新審視一下是否合理，對於有些測試指標要詳細定義測試的環境和示波器的設置等。對於電源的Vds電壓，超過450伏就超標了，這個問題困擾了太多的工程師了。我們該如何重新定義這個指標？這個問題我還沒有給出答案,因為我的答案您一定不會滿意——我的答案是需要用DA1855A來測試，但問題是DA1855A比ADP305要貴得多。還是每個公司去定義自己的司標

關鍵字：示波器  基礎系列  高壓測試 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/1027/article_13695.html 本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有，本站採用的非本站原創文章及圖片等內容無法一一聯繫確認版權者。如果本網所選內容的文章作者及編輯認為其作品不宜公開自由傳播，或不應無償使用，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以迅速採取適當措施，避免給雙方造成不必要的經濟損失。

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