存在共模電壓時測量信號波形的正確方法

摘要：測量對地存在共模電壓的信號波形，若測量儀器或測量方法不正確，輕則影響測量結果，重則危害生命財產安全。本文通過典型的兩個實例，說明不當的測量方法對結果的影響和可能引起的安全問題，并提出正確的測量方法。

一、實例1

客戶的產品是一個壓電陶瓷及其驅動電路，圖1是產品原理和測試連接圖，開關管以約100kHz的頻率通斷，帶抽頭的電感實現升壓功能驅動壓電陶瓷片，電感與容性負載形成諧振使開關管處于軟開關狀態。

圖1  壓電陶瓷驅動器原理及測量連接

客戶用我司示波器和單端無源探頭觀察負載RL兩端電壓波形，探頭正端（尖端）和負端（地夾）分別連接電路的Vo+和Vo-，電路使用隔離的可調電源供電。發現當示波器探頭連接后電路的工作電流增大了許多，客戶懷疑我司示波器有問題。我們搭建同樣的測試系統測量客戶的產品，發現探頭連接后可調電源顯示的電流從約100mA增大到原來的6倍多。換國外某品牌示波器對比測試，發現也存在同樣的問題。

究其原因，如圖1所示，可調電源對保護接地線PE實際上存在電容，以下稱為Ciso，而示波器探頭負端是接PE的，在高頻下，探頭負端→PE→Ciso→GND形成一條低阻抗通路。電路的Vo+和Vo-對GND都存在100kHz的電壓，無論探頭負端接Vo+或Vo-，都產生額外的電流通過探頭負端→PE→Ciso→GND，在電感的電阻和回路電阻上產生熱量，使電源電流增大，另外并聯的低阻抗通道改變了驅動器的諧振狀態。所以并非是示波器的問題，而是不正確的測量方法導致。

通常人們可能對隔離電源的理解有些誤區，認為是“完全隔離”的，往往只看到隔離的電阻而忽略了電抗。實際上由市電供電的隔離電源對大地存在寄生電容，來源有變壓器初次級繞組間寄生電容、次級電路對機殼的空間電容，特別地有時為了滿足EMC標準會在次級與PE間連接一定容量的Y電容。隔離電源所謂“隔離”是指提供安全操作所需的絕緣要求，保證在直流和工頻下有足夠高的隔離阻抗。但是在高頻下寄生電容及刻意添加的電容容抗降低，隔離度就降低了。

以上測試所用某品牌的可調電源實測輸出對PE的電容為73nF，在100kHz正弦波下隔離電源的對地阻抗約為21.8Ω。

可能會想到切斷示波器供電的地線，使示波器浮地。試驗結果表明電流增大的幅度降低了，但誤差還是存在的。因為在示波器內，機殼與L、N線接有抑制EMI的Y電容。在外部，供電線路上有些用電器也有在L、N對PE間接Y電容，在變壓器處N線接大地。所以L、N對PE的阻抗并非特別大，切斷示波器供電地線后其共模電流路徑為：探頭負端→示波器EMC濾波器（Y電容、共模電感）→L和N線→供電線路上L、N對PE阻抗→Ciso→GND。另一方面，從安全使用設備角度講，切斷示波器的供電地線不可取，見實例2。

二、實例2

測量連接電網的線路，不可直接用單端無源探頭和通用示波器的組合。常見例子是測量連接市電的開關電源初級相關線路的波形。

圖2  開關電源整流濾波原理簡圖

如圖2是開關電源輸入端典型的整流濾波電路，在L對N為正的半周，D1和D4導通，初級地電位接近于N線對大地電壓，而在L對N為負的半周，D3和D2導通，通過D2相當于將初級地連接到L線上。所以若將示波器探頭地夾連接到初級地，在L對N為負的半周使L線對大地短路，電網有足夠大的容量，會造成線路、設備燒毀等嚴重事故。為此一些人斷開示波器供電地線進行測量，避免短路，但是這種方法是錯誤的、絕對不可取的。通用示波器是按照接地的情況設計，無地線使用連接到對大地存在較高共模電壓的設備上時，示波器裸露的金屬部件會帶電！會危及生命財產安全，在儀器的說明書上安全相關章節也有說明。用戶應當閱讀儀器設備的說明書，并按正確的方法使用。

三、正確的測量方法

實例1和2被測信號的特點都是對大地存在共模電壓，在觀測的頻率下共模電壓對大地的源阻抗較低。而單端探頭和通用示波器是接大地的，那么直接連接測量，輕則影響結果，如實例1，重則造成事故，如實例2。正確的測量方法應當如下：

（1）類似實例1的情況，電路的參考地與大地沒有電勢差，測量電路中非參考地的兩點間電壓，可使用ZDS4000系列示波器連接兩個單端無源探頭，負端接參考地，正端分別接被測兩點，使用Math的減法功能即可得出被測兩點間電壓。此方法可用于CAT O類場合，但不適用測量連接電網的線路。

（2）類似實例1的情況，使用ZDL6000示波記錄儀搭配隔離高速電壓采集卡，每通道對地電容小于80pF，在此電容對被測系統影響可忽略的情況下，可直接將單端無源探頭連接被測兩點。圖3是用此方法測量實例1中RL的波形。

圖3  ZDL6000測量的RL兩端波形

（3）類似實例2的情況，可使用ZP1500D高壓差分探頭及ZDS4000系列示波器進行測量。ZP1500D可用于1000V CAT II或600V CAT III的場合。

（4）類似實例2的情況，可用ZDL6000示波記錄儀搭配多個隔離高速電壓采集卡，使用配套的安全探頭可用于1000V CAT II的場合，特別是需要同時測量多路不同地電位信號的應用。例如開關電源中進線LN間、初級濾波電容、變壓器初級、次級、次級濾波電容的電壓可同時測量。