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技术文章—存在共模电压时测量信号波形的正确方法

来源:eeworld 发布时间:2019-09-14

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摘要：测量对地存在共模电压的信号波形，若测量仪器或测量方法不正确，轻则影响测量结果，重则危害生命财产安全。本文通过典型的两个实例，说明不当的测量方法对结果的影响和可能引起的安全问题，并提出正确的测量方法。

一、实例1

客户的产品是一个压电陶瓷及其驱动电路，图1是产品原理和测试连接图，开关管以约100kHz的频率通断，带抽头的电感实现升压功能驱动压电陶瓷片，电感与容性负载形成谐振使开关管处于软开关状态。

图1 压电陶瓷驱动器原理及测量连接

客户用我司示波器和单端无源探头观察负载RL两端电压波形，探头正端（尖端）和负端（地夹）分别连接电路的Vo+和Vo-，电路使用隔离的可调电源供电。发现当示波器探头连接后电路的工作电流增大了许多，客户怀疑我司示波器有问题。我们搭建同样的测试系统测量客户的产品，发现探头连接后可调电源显示的电流从约100mA增大到原来的6倍多。换国外某品牌示波器对比测试，发现也存在同样的问题。

究其原因，如图1所示，可调电源对保护接地线PE实际上存在电容，以下称为Ciso，而示波器探头负端是接PE的，在高频下，探头负端→PE→Ciso→GND形成一条低阻抗通路。电路的Vo+和Vo-对GND都存在100kHz的电压，无论探头负端接Vo+或Vo-，都产生额外的电流通过探头负端→PE→Ciso→GND，在电感的电阻和回路电阻上产生热量，使电源电流增大，另外并联的低阻抗通道改变了驱动器的谐振状态。所以并非是示波器的问题，而是不正确的测量方法导致。

通常人们可能对隔离电源的理解有些误区，认为是“完全隔离”的，往往只看到隔离的电阻而忽略了电抗。实际上由市电供电的隔离电源对大地存在寄生电容，来源有变压器初次级绕组间寄生电容、次级电路对机壳的空间电容，特别地有时为了满足EMC标准会在次级与PE间连接一定容量的Y电容。隔离电源所谓“隔离”是指提供安全操作所需的绝缘要求，保证在直流和工频下有足够高的隔离阻抗。但是在高频下寄生电容及刻意添加的电容容抗降低，隔离度就降低了。

以上测试所用某品牌的可调电源实测输出对PE的电容为73nF，在100kHz正弦波下隔离电源的对地阻抗约为21.8Ω。

可能会想到切断示波器供电的地线，使示波器浮地。试验结果表明电流增大的幅度降低了，但误差还是存在的。因为在示波器内，机壳与L、N线接有抑制EMI的Y电容。在外部，供电线路上有些用电器也有在L、N对PE间接Y电容，在变压器处N线接大地。所以L、N对PE的阻抗并非特别大，切断示波器供电地线后其共模电流路径为：探头负端→示波器EMC滤波器（Y电容、共模电感）→L和N线→供电线路上L、N对PE阻抗→Ciso→GND。另一方面，从安全使用设备角度讲，切断示波器的供电地线不可取，见实例2。

二、实例2

测量连接电网的线路，不可直接用单端无源探头和通用示波器的组合。常见例子是测量连接市电的开关电源初级相关线路的波形。

图2 开关电源整流滤波原理简图

如图2是开关电源输入端典型的整流滤波电路，在L对N为正的半周，D1和D4导通，初级地电位接近于N线对大地电压，而在L对N为负的半周，D3和D2导通，通过D2相当于将初级地连接到L线上。所以若将示波器探头地夹连接到初级地，在L对N为负的半周使L线对大地短路，电网有足够大的容量，会造成线路、设备烧毁等严重事故。为此一些人断开示波器供电地线进行测量，避免短路，但是这种方法是错误的、绝对不可取的。通用示波器是按照接地的情况设计，无地线使用连接到对大地存在较高共模电压的设备上时，示波器裸露的金属部件会带电！会危及生命财产安全，在仪器的说明书上安全相关章节也有说明。用户应当阅读仪器设备的说明书，并按正确的方法使用。

三、正确的测量方法

实例1和2被测信号的特点都是对大地存在共模电压，在观测的频率下共模电压对大地的源阻抗较低。而单端探头和通用示波器是接大地的，那么直接连接测量，轻则影响结果，如实例1，重则造成事故，如实例2。正确的测量方法应当如下：

（1）类似实例1的情况，电路的参考地与大地没有电势差，测量电路中非参考地的两点间电压，可使用ZDS4000系列示波器连接两个单端无源探头，负端接参考地，正端分别接被测两点，使用Math的减法功能即可得出被测两点间电压。此方法可用于CAT O类场合，但不适用测量连接电网的线路。

（2）类似实例1的情况，使用ZDL6000示波记录仪搭配隔离高速电压采集卡，每通道对地电容小于80pF，在此电容对被测系统影响可忽略的情况下，可直接将单端无源探头连接被测两点。图3是用此方法测量实例1中RL的波形。