本應用指南將介紹電源測量術語，闡述為進行浮地測量提供的不同選項，重點介紹每種選項的優點和缺點。
最苛刻的浮地測量要求源自電源控制電路，如馬達控制器、不間斷電源和工控設備。在這些應用領域中，電壓和電流可能會很大，足以給用戶和/或測試設備帶來危險。在測量浮地高壓信號時，有許多選項可以考慮。每個選項都有自己的優點和缺點。
差分測量與浮地測量比較
所有電壓測量都是差分測量。差分測量定義為兩點之間的電壓差。電壓測量分成兩類：
1. 參考地電平測量
2. 非參考地電平測量(也稱為浮地測量)
傳統示波器
大多數傳統示波器把“信號參考”端子連接到保護接地系統上，通常稱為“接地”。通過這種方式，所有應用到示波器的信號或示波器提供的信號都會有一個公共連接點。
這個公共連接點通常是示波器機箱，通過AC供電設備電源線中的第三條線接地，來保持在(或接近)零伏。這意味著每個輸入通道參考點都捆綁在一個接地參考源上。
不應該使用傳統無源探頭，直接在參考地電平的示波器上進行浮地測量。視流經參考引線的電流數量，傳統無源探頭會開始變熱；在電流足夠高時，它會類似熔絲那樣熔化斷開。
浮地測量技術
為進行高壓浮地測量提供的不同選項包括：
•隔離輸入示波器
•差分探頭
•電壓隔離裝置
•“A - B” 測量技術
•示波器“浮地”技術
術語表
共模信號
兩個輸入上共同的輸入信號成分(幅度和相位完全相同)。
共模范圍
差分放大器可以抑制的共模信號的最大電壓(從接地)。
共模抑制比
衡量差分放大器抑制共模信號能力的一個性能指標。由于共模抑制一般會隨著頻率提高而下降，因此通常會指定特定頻率的CMRR。
差分模式或差模
差分放大器兩個輸入之間的不同信號。差模信號(VDM)可以表達為：
VDM = (V+input) – (V-input)
差模信號
兩個輸入之間不同的信號。
差分測量
兩點之間的電壓差。
差分探頭
為差分應用專門設計的探頭。有源差分探頭在探頭尖端包含一個差分放大器。無源差分探頭與差分放大器一起使用，可以進行校準，精確匹配兩條信號路徑中(包括參考引線)的DC和AC衰減。
浮地測量
任何一點都沒有參考地電平(地電位)的差分測量。
接地環路
當兩個或兩個以上的單獨接地路徑在兩個或兩個以上的點捆綁在一起時，會出現接地環路。結果是一個導體環路。在存在變化的磁場時，這個環路會變成變壓器的次級電路，作為短路線圈操作。附近承載非DC電流的任何導體都會產生磁場，激發變壓器。許多導線、甚至數字IC輸出引線中的AC線路電壓都會產生這種激發作用。環路中循環的電流會在環路內部任何阻抗中積聚電壓。這樣，在任何給定時點上，接地環路中的各個點都不會位于相同的AC電位。
把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產生接地環路。作用在路徑內部阻抗上的循環電流會導致電壓電位積聚在探頭接地路徑中。
這樣，示波器輸入BNC連接器上的“接地”電位與被測電路中的接地不同(即“此接地非彼接”)。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達幾百毫伏。由于示波器從輸入BNC連接器的外殼上參考測量，因此顯示的波形可能并不表示探頭輸入上的實際信號。隨著被測信號的幅度下降，誤差變得更加明顯。
[圖示內容：]
Device under test: 被測器件
Power supply: 電源
Connecting the ground lead of an oscilloscope probe to the ground in the circuit-under-test results in a ground loop if the circuit is “grounded” to earth ground: 把示波器探頭地線連接到被測電路上，如果電路“接地到”接地裝置，那么會產生接地環路。
“單一測量”
在使用AC線路電源及使用標準三線電源線操作時，帶有接地輸入通道、電池供電的示波器表現出來的局限性與傳統示波器一樣。然而，在使用電池操作時，這些示波器可以一次進行高達30 VRMS的單一安全浮地測量。記住，所有輸入公共源都捆在一起。
共享參考點和隔離通道結構比較
大多數臺式示波器共享下面所示的結構。在這種結構中，在進行多通道測量時，所有輸入信號必須有相同的電壓參考，共享的默認參考是“大地”接地。如果沒有差分前置放大器或外部信號隔離器，這些臺式示波器則不適合進行浮地測量。
[圖示內容：]
Oscilloscope channels must float together: 示波器通道必須一起浮地
Main Chassis: 主機箱
DC and/or AC voltage: DC和/或AC電壓
與傳統臺式示波器結構相比，這種隔離通道結構中的電壓參考沒有在儀器內部連接在一起。因此，使用的輸入的每個參考點必須連接到參考電壓上。獨立浮地隔離輸入仍由寄生電容耦合。這可能會發生在輸入參考和環境之間，及手動發生在輸入參考點之間。基于這一原因，建議把參考點連接到系統接地或另一個穩定電壓上。如果輸入的參考點連接到高速和/或高壓信號上，那么您應該了解寄生電容。
[圖示內容：]
Oscilloscope channels and Comm Interface float independently: 示波器通道和公共接口獨立浮地
DC and/or AC voltage: DC和/或AC電壓
Main Chassis: 主機箱
Comm Interface: 公共接口
Electrically insulated case: 電氣絕緣機箱
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說明 |
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隔離輸入示波器測量 |
采用IsolatedChannelÔ輸入結構的示波器，如TPS2000B或THS3000系列，提供了真正的、完整的通道到通道和通道到電源線隔離能力。每條通道相互單獨隔離，同時與其它非隔離器件隔離。在使用IsolatedChannelÔ示波器進行浮地測量時，必須使用專門設計的無源探頭，如TPP0201，進行高達30 VRMS的浮地測量；或使用THP0301，進行高達300 VRMS的浮地測量；或使用P5122/P5150探頭，進行高達600 VRMS的浮地測量。與大多數傳統示波器使用的無源探頭不同，這些類型的探頭在BNC連接上絕緣，防止發生觸電；參考引線是為耐受額定浮地電壓而設計的。(如需更多信息，請參閱本應用指南后面“注意類別和電壓”一節中的討論) |
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差分探頭測量 |
通過使用差分探頭系統，可以通過泰克TDS/DPO/MSO和大多數其它接地示波器進行浮地測量。某些差分探頭(如P6246、P6247、P6248和P6330)是為幅度較低的快速信號優化的。其它探頭(如P5200A、P5205A和P5210A)則處理速度較慢、電壓幅度較高的信號。ADA400A差分前置放大器即使在高噪聲環境中，仍能顯示低頻率、超低幅度的差分信號。 |
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電壓隔離器測量 |
顧名思義，隔離器在浮地輸入與參考地電平輸出之間沒有直接的電氣連接。信號通過光學或分路光學/變壓器手段耦合。 |
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“A - B”測量(也叫偽差分測量) |
“A - B”測量技術可以使用傳統示波器及無源電壓探頭，間接進行浮地測量。一條通道測量“正”測試點，另一條通道測量“負”測試點。從第一個測量值中減去第二個測量值，去掉兩個測試點的公共電壓，以便觀察不能直接測量的浮地電壓。示波器通道必須設置成相同的伏特/格；探頭應與示波器配套，使共模抑制比達到最大。
[圖示內容：] Channel 2 Probe: 通道2探頭 Channel 1 Probe: 通道1探頭 Traditional Ground Reference Oscilloscope: 傳統參考地電平示波器 VCG=Channel 2 – Channel 1: VCG=通道2 – 通道1 Example of two probes measuring ground reference voltage: 測量參考地電平電壓的兩只探頭實例 |
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“浮地”傳統接地示波器 |
使用不會把接地傳送到次級電路的隔離變壓器，或通過把示波器的AC市電電源線接地連接器，是一種常用的有風險的示波器浮地測量方式。
“浮地”參考地電平示波器把所有可以接觸的相同電壓的金屬(包括機箱、機殼和連接器)作為探頭參考引線連接的測試點。
[圖示內容：] WARNING: 警告 This is an unsafe and dangerous practice and should never be done!: 這是一種不安全的、危險的作法，不得進行此類操作！ Failure to follow safety warnings can result in serious injury or loss of life: 如果不遵守安全警告，可能會導致嚴重的人身傷害，甚至導致死亡 Earth Ground: 接地 Scope Chassis: 示波器機箱 Current: 電流 Unsafe: 不安全 A floating measurement in which dangerous voltages occur on the oscilloscope chassis. V1 may be hunderouds of volts!: 浮地測量，危險電壓發生在示波器機箱上。V1可能有幾百伏！ |
優點和缺點
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優點 |
缺點 |
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隔離輸入通道示波器為進行浮地測量提供了一種安全可靠的方式。通道到通道隔離和通道到接地隔離的明顯好處是能夠同時觀察參考到不同電壓的多個信號。
另一個優點是能夠在不增加專用探頭成本或昂貴笨重的電壓隔離器的情況下實現這一點。通道到電源線隔離消除了信號源接地與示波器之間的路徑。 |
與差分探頭不同，隔離輸入通道沒有提供均衡浮地測量。到接地的阻抗在尖端(+)輸入和參考(-)輸入之間是不同的。由于隔離通道的參考(-)輸入不象接地示波器那樣有默認的參考電平，因此必須把探頭的參考引線連接到DUT的參考點上。
由于沒有到接地的分路，因此熒光燈和大樓布線放射的工頻場可能會在示波器讀數上導致更多的基線噪聲。使用平均采集模式會減輕這種基線噪聲提高。 |
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優點
差分探頭為調整接地示波器進行浮地測量提供了一種安全的方法。除安全性優勢外，使用這些探頭可以改善測量質量。差分探頭提供了均衡測量輸入電容，因此可以使用任意一條引線安全地探測電路中任何點。在比電壓隔離器更高的頻率上，差分探頭一般CMRR性能更好。
另一種優點是全面利用示波器的多條通道，同時觀察多個信號，參考不同的電壓。 |
缺點
探頭仍有一條到接地的電阻路徑，因此如果電路對泄漏電流靈敏，那么差分探頭可能并不是最佳的解決方案。
其它缺點包括增加了一層成本，具體視示波器功能，可能要求獨立的電源，這增加了成本和體積。在出廠時，必須手動確定每種測量的增益和偏置特點。 |
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優點
電壓隔離器為安全測量浮地電壓提供了一種手段，由于隔離器沒有到地的電阻路徑，因此對泄漏電流異常靈敏的應用來說，它們是一個很好的選擇。 |
優點
電壓隔離器增加了一層成本。必須使用單獨的電源和隔離放大器箱。在出廠時必須為每一項測量手動確定增益和偏置特點。 |
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優點
使用“A - B”測量技術的優勢在于，幾乎任何示波器和標配探頭都可以簡便地完成這一點。記住，兩個測試點必須參考地電平。因此，如果任意一個測試點都是浮地的，或如果整個系統都是浮地的，那么不適用這種方法。 |
缺點
在進行“A - B”測量時，要使用兩條示波器通道。這種技術的主要限制是共模范圍相當小，這源于示波器的垂直通道動態范圍。一般來說，其不到來自地電平的volts/division設置的10倍。在共模電壓大于差模電壓時，“A - B”測量技術可能會被認為是從兩個大電壓中提取小的差異。這種技術適合共模信號的幅度與差模信號相同或低于差模信號，且共模成分是DC或低頻，如50 Hz或60 Hz電源線的應用。在測量幅度適中的信號時，它從測量中有效消除了接地環路電壓。 |
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優點
盡管浮地設備是一種利用現有設備進行浮地測量，消除頻率較低的信號上接地環路的方法，但它是一種不安全的、危險的作法，不應采用這種方法。
缺點
不管是從示波器上的升壓角度(對操作人員可能會發生電擊)，還是由于地波器變壓器絕緣裝置上累積的應力，這種技術都是危險的。這種應力可能不會立即導致故障，但即使示波器恢復到正確接地操作，將來仍可能會導致發生危險故障(電擊和危險)。 |
在較高的頻率上，切斷接地可能不會中斷接地環路，因為電源線供電的儀器在接地以上浮地時會表現出大的寄生電容。振鈴可能會破壞浮地測量。浮地示波器沒有均衡輸入。參考一側(探頭上的“接地”夾)有一個明顯的到地電容。參考點連接的任何源阻抗將在快速共模跳變中加載，使信號發生衰減。更糟糕的是，高電容可能會損壞某些電路。連接逆電器上方門中共用的示波器可能會使門驅動信號速度下降，防止被測器件關閉，防止破壞輸入橋接器。這種故障通常伴隨著工作臺上出現小的火花。
另一個缺點是其一次只能進行一項測量。記住，所有輸入參考都相互捆綁在一起。一旦浮地一個輸入參考，所有輸入參考現在都在同一水平上浮地。
[圖示內容：] Actual Signal: 實際信號 “Ringing”: “振鈴” Ringing caused by parasitic inductance and capacitance distorts the signal and invalidates measurements: 寄生電感和電容導致的振鈴使信號失真，使測量無效 |
泰克TPS2000B和THS3000系列IsolatedChannel?示波器
TPS2000B系列把泰克經過驗證的臺式示波器性能與專為測量工用電池操作的產品設計的4條隔離通道結構結合在一起。這種儀器與選配的電源捆綁套件(TPS2PBND2)配套使用時，確立了同類產品中的高級浮地測量標準。電源捆綁套件包括4只無源高壓探頭(P5122)及電源測量和分析軟件包(TPS2PWR1)。電源測量和分析軟件包提供了電源分析測量(真實功率、無功功率、真實功率因數、相角)、波形分析測量(RMS、波峰因數、頻率)、諧波測量及開關損耗測量。
THS3000系列是為使用示波器時要求更高流動性、而又不降低臺式儀器性能或執行浮地測量能力的工程師們設計的。這種手持式儀器堅固耐用，重量型，一塊電池可連續工作7個小時，支持自動測量功能，在實驗室操作和現場操作中都提供了很大的通用性。該儀器的隔離通道、高壓采集(高達1000 VRMS CAT II)及高級波形記錄功能可以安全進行浮地測量，特別適合經常需要把實驗室中的測量與現場中的測量關聯起來的用戶。
注意CAT和電壓
為進行浮地測量選擇適當的電壓探頭
怎樣選擇探頭和示波器組合：
1. 確定測量(或過壓)類別
IEC 61010-1國際標準為電壓測量儀器規定了四種過壓類別。一類到四類過壓都是依據瞬態信號期間可能存在的電氣能量多少確定的。
在IEC 61010-1中，電壓測量儀器根據耐受電壓瞬態信號的能力來劃分等級。
2. 確定最大浮地電壓
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類別描述摘要 |
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四類 |
用來對低壓項目中的電壓執行測量(<1,000 V)。 |
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三類 |
用來在樓宇系統中執行測量。 |
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二類 |
用來在直接連接低壓系統的電路上執行測量。 |
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一類 |
用來在沒有直接連接市電的電路上執行測量。 |
3. 確定最大尖端到接地電壓。
4. 確定從探頭尖端到參考引線的最大電壓。
5. 確定屏幕上希望的最大峰峰值讀數。
[圖示內容：]
Transmission lines: 傳輸線
Transformer: 變壓器
Circuit breaker: 斷路器
Outlet: 插座
Isolating device: 隔離設備
Uncontrolled: 沒有控制
Category IV: 四類
Primary Supply Level: 主要供電等級
Category III: 三類
Fixed Installation: 固定安裝
Category II: 二類
Appliances and Portable Equipment: 電器和便攜式設備
Category I: 一類
Telecommunication and Electronic Equipment: 電信和電子設備
IEC Installation Categories: IEC安裝類別
為TPS2000B和THS3000系列示波器選擇適當的電壓探頭
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探頭名稱 |
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TPP0201 |
THP0301 |
P5150 |
P5122*1 |
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最大探頭尖端到接地電壓 |
300 VRMSCAT II |
300 VRMSCAT III |
1000 VRMSCAT II |
DC耦合時1000 VRMSCAT II |
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最大參考地電平(浮地)電壓 |
30 VRMS |
300 VRMSCAT III |
600 VRMSCAT II |
600 VRMSCAT II |
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衰減設置 |
10x |
10x |
50x |
100x |
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帶寬 |
200 Mhz |
300 Mhz |
500 Mhz |
200 Mhz |
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探頭類型 |
無源 |
無源 |
無源 |
無源 |
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屏幕上峰峰值電壓2 |
TPS |
400 VP-P |
400 VP-P |
2000 VP-P |
2828 VP-P |
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THS |
849 VP-P |
849 VP-P |
2828 VP-P |
2828 VP-P |
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屏幕上RMS電壓2 |
TPS |
141 VRMS |
141 VRMS |
707 VRMS |
1000 VRMS |
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THS |
300 VRMS |
300 VRMS |
1000 VRMS |
1000 VRMS |
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1 P5122 探頭不應該用來在TPS2000 上對DC > 300 V的信號進行AC耦合測量。
2 受到儀器垂直分辨率限制(TPS = 5V/div, THS = 100V/div)。
[圖示內容：]
High-voltage Oscilloscope Probe: 高壓示波器探頭
Oscilloscope Input BNC: 示波器輸入BNC
Input Signal Rating: 輸入信號等級
Reference Float Rating: 參考浮地等級
實例：
需要測量線路到線路240 VRMS三相Y型有源諧波濾波器上的峰峰值電壓。
1. 確定所需安裝類別的最大額定輸入電壓：三類
•某種類別等級允許的最大輸入電壓一般也適用于較低類別的環境。例如，如果儀器等級為300 VRMS CAT III，那么在二類環境中在300 VRMS的儀器上工作也是安全的。
•對更高的電壓電平，儀器會通常額外確定較低類別的等級值，如同時確定300 VRMS CAT III和600 VRMS CAT II。這種情況并不是通用的，因此用戶必須在儀器文檔中明確檢驗透過多個類別的等級。
2. 確定要求的最大浮地電壓(接地到參考電壓)
•這一實例的測量要求為240 VRMS。
•因此，只有THP0301、P5150和P5122探頭適合。
3. 確定最大探頭尖端到接地電壓要求
•在本例中，工程師確定其大約為140 VRMS。
•全部四只探頭都滿足這一要求。
4. 確定從探頭尖端到參考引線的最大電壓
•預計被測信號的最大電壓是240 VRMS。
•這使探頭只限于從THP0301、P5150和P5122探頭中選取。
5. 確定需要的衰減
•計算與240 VRMS對應的最大峰峰值電壓
•因此，所需的可以觀察的電壓范圍是：240 VRMS x √2 x 2 = 679 VP-P。
•TPS2000B系列在屏幕上最大垂直設置為5V/div，共8格。
•THS3000在屏幕上最大垂直設置為100V/div，共8格。
•需要的探頭衰減 = 觀察電壓 / 最大垂直設置 / 格數。
•TPS2000B：679 VP-P / 5 / 8 = 17x，只有P5150和P5122提供了足夠的衰減。
•THS3000：679 VP-P / 100 / 8 = 1x，所有探頭都提供了足夠的衰減。
6. 選擇滿足最低要求的探頭
•對TPS2000B，P5150和P5122探頭適合這一測試場景。
•對THS3000，THP0301、P5150和P5122探頭適合的這一測試場景。
11/11 EA/FCA-POD 3AW-19134-2
www.tektronix.com/tps2000b