为什么示波器测试电源纹波量电源纹波时不应该使用接地夹线？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-08-30 07:50 标签： 示波器测试电源纹波

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绝大多数使用三相电插座的示波器都是接地的，其探头的鳄鱼夹直接接在大地上，如果你测试浮地信号的时候请注意，不要将夹子夹在任何一个信号端上，否则造成短路，此时你需要隔离开示波器、或者差分探头

示波器的零电位端(外壳，及GND接线端)，在测试时，要与被测信号的零电位端相连接，所以不接地。

零线是在供电端（发电厂、变电站、变压器）接地，或在入户前重复接地，是工作接地线，是输电线路的一部分，电流经电厂→火线→负载→零线反回电厂。地线在用户端接地，和用电电器的金属外壳或人体可触部位连接，使机壳与大地等电位，保护人体不触电。零线不与输电线路构成回路，正常情况下没有电流。注意两者的区别：

1.零线和地线这两个是不同的概念，不是一回事，千万别互换或混接。
2.地线的对地电位为零，是就近接地。
3.零线的对地电位不一定为零。零线是在最近的变电所接地，和本地的接地可能有一定的电位差。 
4.零线有时候会电人。当火线有电，但设备不工作时，可能是零线断了，从断点靠近设备一端的零线都是带220V电的，和火线一样。

二、如何区分零线和地线

火线(L)颜色须用红色、黄色、绿色；零线(N)颜色须用黑色、蓝色；地线(PE)颜色须用黄、绿双色线。面对3孔插座，左零，右火，中间地。

2、在总线上装一漏电断路器，用一灯泡接在火线和零线或火线和地线上，如漏电断路器动作说明是地线，否则是零线。测试时要注意安全，可能会有小火花，要有心里要准备，别吓一跳！

3、如果在家中：①通电，用电笔测，会亮的全是火线；②将总开关处的零线断开，只接通火线，将家中的灯打在开的位置，用电笔测，刚才不亮，现在亮的全是零线；③剩下不亮的全是地线。最简单的就拿个220V的灯泡，用电笔确定火线后，分别用两棵线和火线接在灯头上，从亮度上就可以区别零和地，亮的是零，稍暗的是地。

4、用万用表：将万用表置于交流档500v，手捏一表笔，另一表笔分别触接电源线，有电压高的是火线，低的是零线，电压为0的是地线。零线对地电阻小于4欧为可靠接地。用万用表置于交流档的250V测火线与零线、火线与地线的压差，两值相差在5v以下为可靠接地。

1、因为是交流电，所以火和零互换对电器没什么影响。面对3孔插座，左零，右火，主要是维修时用，最好还是别换。

2、零和地接反或混接，这个平时没事，但比较危险，地线不能接到零线上。否则导致设备外壳带电。（一般设备正常时外壳几乎不带电）

3、进户的地线可以临时做零线用（这样电表不转，属于偷电），但如果你想做长久的用，有许多不利因素，如：由于接地点环境的变化（雷雨、湿度等）导致电压不稳；变电所因素使火线对地电压达到380V等，都能导致用电设备很容易受到影响及严重损坏。

四、用示波器测量市电需要注意以下几点：

        电压测量时要注意两个问题，一个是浮地问题，另外一个是探头的量程。使用差分探头或者隔离通道示波器可以避免浮地。探头的量程则可以查询探头的资料得到。高压差分探头对您来说是一个比较好的选择，比如泰克的P5200A就可以满足您的需求。  

测量市电的关键点有如下两个：1、 保证市电的峰峰值在示波器的量程范围内，否则看不到完整的波形。市电有效值是220V，对于RIGOL的数字示波器来说，DS1000CA/B/D/E系列具有最大10V/div的垂直量程，在10X探头的辅助下，可以测试最大800V峰峰值的电压；2、保证无源探头的接地夹接地（不是接零线！）。零线是有电压存在的（可以用数字万用表验证），用探头的接地夹接触会直接造成短路。 
        用视波器观察220V市电时，千万不要去直接测量，因为示波器一般会有保护接地，这根地线是和探头的地相连通的，万一示波器探头的地端碰到220V市电的火线将会烧毁示波器和造成短路。
        如果一定需要直接测量，可将示波器的三线插头的接地端去掉，示波器探头的负端一定接到220V的零线端，探头端接220V的火线（千万不能接错！）另外还要注意示波器的量程要大于220X1.414，还有要注意探头的耐压要大于250VAC
最好的办法是用一个“隔离变压器”，千万别把自偶变压器当成隔离变压器（隔离变压器初次级是不相通的），而且初次级间耐压要大于250VAC以上。
        将初级两端接入220V电源，次级连接探头即可，如果次级电压不等于初级电压也没关系，只是将示波器的测量值乘以变压器初次级电压的比值即可。

示波器测试市电方法：（1）选择100V/div电压档位；（2）示波器探头打到上述幅值档位相应的比例上；（3）将示波器探头接地线连接到大地上（注意不是零线，否则短路）；（4）示波器探头针直接测试火线或者零线电压波形。

为什么测量桥式整流电路时只允许使用示波器的一个探头？

示波器的探头的接地端是与供电的地相连的，桥式整流电路输出的地与供电的地不是相连的。如果使用探头的接地端与桥式整流的输出端的地相连，就相当于把输出对地短路了，所以会形成短路。如果想进行波形测量的话，建议用两个探头，把两个探头的地，也就是夹子互相夹起来。然后用两个探针，选一个做正极，选一个做负极，在示波器中选择波形相加。就可以对波形进行测量。

某用户在用500MHz带宽的示波器对其开关电源输出5V信号的纹波进行测试时，发现纹波和噪声的峰峰值达到了900多mV（如下图所示），而其开关电源标称的纹波的峰峰值<20mv。虽然用户电路板上后级还有LDO对开关电源的这个输出再进行稳压，但用户认为测得的这个结果过大，不太可信，希望找出问题所在。

问题分析电源纹波测试过大的问题通常和使用的探头以及前端的连接方式有关。首先检查了用户探头的连接方式，发现其使用的是如下面左图所示的长的鳄鱼夹地线，而且接地点夹在了单板的固定螺钉上，整个地环路比较大。由于大的地环路会引入更多的开关电源造成的空间电磁辐射噪声以及地环路噪声，于是更换成如下面右图所示的短的接地弹簧针。

经过实际测试，发现测得的纹波噪声的峰峰值有很大改善，如下图所示。但纹波噪声的峰峰值仍然有40多mV，和开关电源厂商标称的<20mV仍有较大差异。


进一步检查用户使用的探头的型号，发现用户使用的是示波器标配的10:1的无源探头。如下图所示。


10:1的探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。 如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。于是另外找了一个1:1无源探头，这种1:1的无源探头虽然带宽不高（通常几十MHz），但衰减比小，对于小信号测试非常合适。下图是换用1:1的无源探头后，和10:1 探头在不同带宽限制下的对比测试结果。可以看到，使用1:1探头并设置20MHz带宽限制后，测量到的纹波噪声的峰峰值只有不到10mV，远远好过10:1探头的测试结果。从1:1探头的测试结果里可以看到清晰的纹波的波形，并且满足用户对于电源纹波噪声<20mV的预期。另外，我们也可以看到，带宽限制对于噪声峰峰值也有一定的改善作用。


问题总结这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得纹波噪声的测试结果大大改善。一般来说，影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个：1、 前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。2、 探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用1:1衰减比的探头。3、 带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波噪声测试场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。4、 测量量程：通常会在小量程档下（比如10mv/格或20mv/格）进行电源纹波的测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的AC耦合功能把直流隔离掉再进行纹波噪声测试。5、 输入阻抗：很多示波器有50欧姆和1M欧姆的输入阻抗选择，通常50欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到1M欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为50欧姆输入阻抗。

在进行实际测试之前，一个比较好的习惯是先检查一下当前使用的设备和设置下的系统的底噪声。下面图中的5个波形分别是使用500M的S系列示波器在使用不同的探头和带宽设置下的底噪声结果。波形从上到下依次为：50欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，1:1探头，20MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，10:1探头，20MHz带宽；1M欧姆输入阻抗，10:1探头，500MHz带宽。其底噪声的峰峰值从不到1mV直到接近30mV，可见测试中探头、带宽、输入阻抗设置的重要性。


如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以参考下图用50欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为50欧姆输入阻抗；电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。


另外，Keysight公司专门为电源纹波测试设计的探头N7020A，结合了低衰减比（1.1:1）、高带宽（硬件2GHz，可以软件设置带宽限制）、兼顾测量需要和噪声的阻抗匹配（探头本身直流输入阻抗为50k欧姆，但示波器端是50欧姆输入阻抗频谱）、短地线（提供很低环路电感的焊接前端）、大偏置范围（可以到±24V）、可以纹波和直流电压同时测试等优点，适用于对于电源纹波测量要求比较高的用户。


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