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測試與測量  

快速、準確、經濟的浮動測量新方法

上網時間: 2005年06月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:浮動測量  差分測量  多通道隔離測量  test  measurement 

用戶常透過存在潛在危險的測量技術來解決‘浮動’測量面臨的兩個點都不接地的問題,TPS2000系列示波器使用創新的IsolatedChannel技術,具有4個隔離通道並使用電池供電的示波器,讓工程師和技術人員快速、準確、經濟地進行多通道隔離測量

工程師和技術人員常常需要進行‘浮動’測量,即測量的兩個點都不處於接地電位。該測量也常稱為差分測量。‘訊號公共線’與地之間的電壓可能會升高到數百伏。此外,許多差分測量還要求抑制高共模訊號,以便於評估低電平差分訊號。多餘的接地電流還會產生煩人的嗡嗡聲和接地環路。用戶常常借助那些存在潛在危險的測量技術來解決這些問題。TPS2000系列示波器使用創新的IsolatedChannel技術,具有4個隔離通道並使用電池供電的示波器,使得工程師和技術人員可以快速、準確、經濟地進行多通道隔離測量。

‘浮動’參考接地的示波器是通過使接地系統無效或使用隔離變壓器,將‘訊號公共線’從地面斷開,使示波器保護性接地系統無效的一種技術。該技術使機殼、機櫃和連接器等儀器可接觸部件具有探棒地線連接點的電勢。該技術是危險的,不僅是因為它升高了示波器上存在的電壓(作業人員可能會遭到電擊),還因為它向示波器的電源變壓器絕緣體上累積了應力。

圖1:Cparasitic是示波器對參考地的分佈電容。

該應力不會立即引發故障,但是可能在將來引發危險的故障(電擊和火災),即使將示波器恢復至正常地接地作業也無法挽回。不僅浮動參照接地的示波器很危險,並且通常該測量方法還不準確。該電勢誤差是由於在地線連接點處直接將示波器機殼的總電容與被測電路相連所致。

有幾種產品可用來進行浮動測量,但是它們可能缺乏您需要的多功能性、準確性或經濟性。此外,用戶在選擇合適的產品進行精確的浮動或差分測量時,需要考慮四項關鍵的測量注意事項:

1.差分測量的範圍是多大?


2.共模差分測量的範圍是多大?


3.探棒的負載特徵是什麼?它們平衡還是不平衡?


4.整個測量頻率範圍上的共模抑制比(CMRR)是多少?

傳統示波器的測試方法

傳統示波器僅限於進行參照接地的測量。其原因是:大多數示波器的‘訊號公共線’終端與保護性接地系統相連接,通常稱之為‘接地’。這樣做的結果是:所有施加到示波器上,以及由示波器提供的訊號都具有一個公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼,透過使交流電源設備電源線中的第三根導線接地將電壓保持為(或非常接近於)零伏。它還意味著,所有測量都必須相對於接地進行,極少有例外情況。這就限制了典型示波器(至少在單一測量中)在測量兩點(都不接地)間電勢差中的應用。

一個常見但危險的做法是斷開示波器的交流主電源線地線,並將探棒地線連到一個測試點上。tektronix強烈反對這種不安全的測量行為。不幸的是,此行為會將儀器底盤(不再接地)的電壓提高為與探棒地線相連的測試點電壓相同。觸摸儀器的用戶就會成為接地的最短路徑。假設V1是高於真實接地電壓的‘偏置’電壓,而VMeas是待測電壓。根據被測單元(UUT)的不同,V1可能為數百伏,而VMeas則可能為幾分之一伏。以此方式浮動機殼接地端會對用戶、(被測單元)UUT和儀器構成威脅。

圖2:TPS2000系列示波器的IsolatedC
hannel體系結構可完全隔離危險電壓。

此外,它違反了工業健康和安全規定,且獲得的測量結果也差,何況交流供電儀器在地面浮動時會出現一個大的寄生電容。因此,浮動測量將受到振盪的破壞。

電池供電的示波器,如TDS3000B系列示波器,在使用標準電源線通過交流線路電源供電時,也會出現與傳統示波器相同的侷限性。但是,當需要進行示波器測量時,並不一定總能找到可用的交流電源。TDS3000B系列示波器的可選電池組(TDS3BATB)使您可以在沒有交流電源的情況下操作示波器。但是,它僅能進行最高為30VRMS的安全浮動測量。

由此可見,傳統示波器側重於性能(頻寬,多功能性),犧牲了進行浮動測量的能力。示波器底盤上出現危險電壓的浮動測量。‘偏置電壓’可能高達數百伏!同時,由寄生電感和電容引起的振盪會使訊號失真,導致測量無效。

差分或隔離探棒

差分或隔離探棒提供了一種安全可靠的方式,使接地示波器可以進行浮動測量。兩種探棒的接觸體都不需要接地,並且探棒系統作為一個整體與示波器的機殼接地端隔離。差分探棒為被測設備(DUT)提供了一個平衡阻抗負載。但是,它們對測量設備的成本和複雜性提出了新的要求。可能需要獨立的電源,並且其增益和偏差特徵必須作為因數計入每次測量。配有差分探棒的示波器側重於性能和安全(頻寬、隔離),犧牲了外形構造的優勢,如可移動性和成本。

訊號完整性源自探棒尖

示波器實際上是包含放大器,獲取/測量電路,顯示和探棒在內的測量系統。探棒的左右有時會被人們所忽略。但是,不正確的探棒或者探測技術將會影響測量結果。很顯然,必須使用與儀器的頻寬和阻抗相匹配的探棒。

常常被忽略的是探棒的地線電感問題。隨著地線長度增加,分佈電感也會增加(圖1中的Lparasitic)。Lparasitic存在於訊號通路中並與寄生電容一起形成LC共振電路。導線長度增大,寄生電感增加,震盪頻率下降,導致‘振鈴’等對測量訊號的明顯的干擾。簡單地說,只要待測電路允許,公共接線應該盡可能地短。

至於電容,即使隔離的電池供電的示波器也會存在對地的電容效應。在圖1中,Cparasitic是示波器對參考地(通過隔離裝置)的分佈電容。與分佈電感一樣,Cparasitic也必須保持最小,保證LC電路的共振頻率盡可能高。如果Cparasitic很大,振鈴可能出現在測試頻率的範圍,影響測量結果。一起對地的分佈電容是由其內部設計所限制的。

環境特性也可能導致振鈴。測量中手持儀器或者把儀器放在大的導電體表面上都將增大Cparasitic導致振鈴。針對最敏感的測量,甚至必需將示波器懸掛在室外!

圖3:4通道TPS2024示波器通道-通
道隔離消除了同時測量大訊號和小訊號時的串擾。

浮動測量的新方法

在當今使用的寬頻示波器系統中,最常用的隔離方法是雙路方法,將輸入訊號分為兩個訊號:低頻和高頻。該方法需要每個輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬頻線性變壓器。TPS2000系列使用創新的IsolatedChannel技術,取消了雙路方法,而對每個從直流到示波器頻寬的輸入通道僅使用一個寬頻訊號通路。該技術正在申請專利。透過這項技術,Tektronix可以提供首批具有四個輸入隔離通道、低成本並使用電池供電的示波器,該電池可供示波器連續工作八個小時。

TPS2000系列的四隔離通道輸入體系結構向‘正’輸入和‘負基準’導線(包括外部觸發輸入)提供了真實且完整的通道間隔離。圖2說明了隔離通道(IsolatedChannel)的概念。

電源控制電路(例如電機控制器、不間斷電源和工業設備)中的浮動測量要求最為嚴格。在這些應用領域中,電壓和電流可能大到足夠對用戶和測試設備造成威脅。

要保證測量品質,IsolatedChannel技術是良好的解決方案。如果存在較大的共模訊號,TPS2000示波器將提供理想的解決方案。有效的通道與通道隔離將寄生效應的影響降到最低,測量系統的容量越小,那麼它與環境的交互影響也就越小。完全隔離的電池供電的儀器本身並不涉及接地問題。每個探棒都具有一條與儀器底盤隔離的‘負基準’導線,而不是使用一條固定的地線。而且,所有輸入通道的‘負基準’導線都彼此隔離。這是避免短路危險的最佳方法。它還大幅降低了訊號衰減阻抗,而該阻抗會影響單點接地儀器中的測量品質。

無論使用電池電源還是通過交流電源適配器連接到交流電源,TPS2000系列示波器的輸入始終是浮動的。因此,這些示波器與傳統示波器所展現的限制並不相同。

用DRT採集加速除錯和測試

TPS2000系列示波器應用數位即時採集技術,讓工程師在4個通道同時測量各種訊號類型。頻寬/採樣率的組合令示波器可以捕獲高頻訊息,如突波和邊沿畸變。

使用TPS2000系列示波器進行快速準確的浮地測量的電源控制電路使用大功率矽元件和低功率邏輯電路。作為大多數電源控制電路核心的開關電晶體要求在測量時不參考接地電壓。而且,電路和邏輯電路的接地點也可能不同(因此接地電平也是不同的),而通常這兩者必須同時測量。

除了安全優勢,TPS2000系列的通道與通道隔離還提供了一個實際的測量優點。圖4中的螢幕圖像描述了在電源控制電路中兩個不同點採集到的波形。注意,較低的波形是關於200Ap-p的,而較高的光跡大約為5Vp-p。由於每個TPS通道與其他通道(包括負基準導線)是完全隔離的,並各自配有可靠的數位即時數位化器,因此在兩個訊號之間不會發生串擾。如果示波器通道未完全隔離,那麼在200A訊號到較小波形之間可能出現誤導性的耦合訊號,這些現象可能被曲解為電路問題,而實際上是儀器問題。TPS系列同時捕獲具有很大幅度差異的兩種波形的能力減少了臆測的成分,同時提高了作業效率。

諧波測量揭示不可見的功率問題

了解電網內的諧波對於安全經濟的用電十分重要。大多數類型的電子設備都轉而使用非線性電源,隨著這一趨勢在世界範圍內的愈演愈烈,線路諧波問題也隨之浮上檯面。非線性負載(如開關電源)趨向於繪製非正弦電流。它們的阻抗在每個周期的過程中都有所變化,產生的正弦波具有明顯的正負電流峰值,而不是穩態正弦波曲線。快速變化的阻抗和電流反過來也會影響電網中的電壓波形。所以,線路電壓受到諧波的破壞,通常為正弦形狀的電壓波形可能會變得扁平或失真。設備可以容忍的諧波失真數量是有限度的。

圖4:諧波失真測量。

負載感應諧波可以導致電機和變壓器過熱、機械共振以及在三相設備的中性導線中產生危險的高電流。此外,線路失真可能違反某些國家的標準規範。

透過TPS2024的全面、四通道能力,以及可選的功率分析軟體,可以連接到三相系統的所有三根導線上,以便測量和分析線路諧波。其使用單個按鈕調用的‘諧波’模式將捕獲基頻以及諧波2至50。僅使用示波器的標準電壓探棒就可以執行諧波電壓測量。可選的電流探棒同樣可輕鬆地捕獲電流諧波。

圖4說明了電流諧波測量。幅度是通過儀器的內部DFT(離散傅立葉變換)演算法計算的。在這種情況下,條形圖顯示了非常強的第五次諧波電平。過量的第五次諧波電平(以及某些其他奇次諧波)是三相系統中性導線電流產生的一個傳統原因。

功率讀數不僅僅是瓦特

電壓和電流測量從本質上講是簡單而又絕對的。測試點在給定的瞬時時間只有一個電壓值和一個電流值。相反,功率測量則要依賴於電壓、電流、時間和相位。發明‘無功功率’和‘功率因數’之類的術語是用來表示該複雜的交互作用,與計算相比,並沒有那麼多的測量。功率因數在這些計算中具有特殊的重要性。這是因為如果用戶的功率因數不是十分接近理想值1.0,許多電力供應商會向他們收取額外的費用。如果功率因數為1.0,電壓和電流相位相同。感應負載,尤其是大型的電動機和變壓器,會引起電壓和電流相互移位,而這將導致功率因數降低。在這種情況下,一些公用事業公司還會實行追加罰款,因為這種低效的方式將使能源在電源線中以熱能的形式損失掉。解決功率因數問題有一套程式,但首先必須量化功率特徵。

TPS系列包含一整套功率測量方法。其中包括有功功率、無功功率、波峰因數、相位關係、di/dt和dv/dt,當然還有功率因數。所有這些測量(波形分析和相位關係除外)都需要先後使用一個電流探棒(或其等同物)和一個電壓探棒。所有這些測量都使用儀器的單按鈕應用功能。

測量開關損耗以提高產品效率

為了提高電源設計的效率,今天的電源設計者們面臨越來越大的壓力。影響效率的主要因素是在設計的開關部份產生的功率損耗。優化這一因素是非常複雜的。TPS系列允許設計者透過儀器的單按鈕應用功能查看設計中的開關損耗。可將開關損耗表徵為開通損耗、截止損耗、傳導損耗和設備總損耗。

本文小結

工程師和技術人員要面對高壓和電流,並且必須經常執行存在潛在危險的浮動測量。其他幾種可選產品也可供您進行浮動測量,但可能缺乏多功能性、準確性或經濟性,TPS2000系列使用獨有的IsolatedChannel技術,允許工程師和技術人員快速、準確和經濟的進行這些測量。

美國Tektronix公司供稿





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