—— 高压测量中电压“准不准”问题的讨论

      近期在拜访电源客户时，我们常常遇到这样一个现象：测试高压时不同品牌的示波器测试的结果差别很大，有一次对比测试中发现测试450V的电压，三台示波器的最大差别有50V左右; 同一品牌不同型号的示波器差别也很大;同样的示波器不同探头测量结果有时差别也很大。  对于电源客户而言，MOSFET的电压应力是一项关键指标，决定了电路的调试，电源的使用寿命，MOSFET的选型等。客户一提起这个问题，我忙说，我理解，我很理解，因为我在做电源工程师时也遇到同样的问题，也为这问题苦恼过，以至于我在写测试报告时要标明是用什么序列号的示波器和探头测试出来的结果。但我想很多电源工程师并不理解这个问题的理论原因，常常追问我，到底哪个结果可信？甚至有些很认真的客户用标准的AC Source来作为信号源来“计量”哪一台示波器是准确的，但往往是很失望，没有一台示波器的结果能“相信”，有的有效值“测不准”，有的幅值“测不准”，有的峰峰值“测不准”，因为有效值和幅值之间存在2倍根号2的关系，没有示波器测试出来的结果符合这个关系式，甚至有的客户和我争论一定是峰峰值满足2倍根号2关系才对，幅值是不对的。   我觉得是有写一点东西来解释这个问题的必要了。

   “测不准”的原因其实很简单，还是我常强调的四点：第一是示波器的量化误差问题，第二是示波器的幅频特性曲线的平坦度问题;第三是环境噪声的干扰问题，第四是探头的共模抑制比和快恢复特性问题。

1，量化误差的概念      

我们都知道，示波器的A/D只有8位，也就是说对于任何一个电压值都只有256个0和1来重组，如果包括+/-符号位,示波器的数字量程是-128—+127。图一很清楚地显示了这种数字化采样的原理，示波器的屏幕最顶部代表的是+127,中间代表的是0，最底部代表的是-128。这种原理就产生了使用示波器的第一原则：最小化量化误差。这个原则告诉了我们使用示波器的一个常识，为获得最接近于真实值的电压值，应使垂直分辨率尽可能地小，使显示的波形尽量占满示波器的屏幕。

   图一

图二和图三分别表示在1V/div和200mv/div的时候测试相同的信号的效果。在1V/div的时候，示波器的最小量化误差是（1V*8）/256=31.25mv,这意味着小于31.25mV的信号是无法准确测量出来的。而对于高压测量，假设量程是100V/div,示波器的量化误差是800V/256=3.125V，这意味着小于3.125V的信号是无法准确测量出来的。

     图二

                 图三

    我常举下面的更令人印象深刻的例子来说明量化误差：将探头的地和信号针直接相连悬在空中，比较量程为20mV/div和100V/div时的pk-pk值，其差异是多大？几十伏的差异！！您现在就可以做这个实验。这表示在100V/div时测试出来的20V的信号，可能实际上只有20mV！

   测量输出电压很小的电源纹波时需要用1:1的探头，将示波器的量程设置为2mv/div。   下面是测试10mV左右的电源纹波的例子．

２，幅频特性曲线平坦度问题

  　  就示波器的行业标准而言,示波器幅频曲线距离理想响应的偏差允许达到+/-2dB,这对有些精确度要求很高的测量似乎是很不能接受的误差范围. 因此,示波器并没有在测量界定义为计量的工具,它只能说是调试的工具.  

   　此外，不同型号的示波器，不同品牌的示波器，其前端放大器的响应曲线也是有差别的，有的是高斯响应，有的是矩形响应，有的是四阶贝塞尔响应。对于同一个输入频率，不同示波器的垂直参数的测量结果肯定是不一致的。在相同频率，不同垂直通道设置下的测量结果也应是不一致的。

    我从我们的维修校准中心了解到，示波器在校准时，我们一般会把平坦度校准到+/-1.5%以内，这是比较严格的标准。这意味着，对于理想中的1V的信号，测试的结果偏差15mv是很正常的。

　　　上图显示的是6GHz的幅频特性曲线。　 可以看出其最大偏差小于+/-2dB.  示波器使用一段时间后平坦度会有些改变需要送校准机构进行校准。但通常很多第三方机构并不能将平坦度校准到厂家能校准到的水平。因此，现在常有些客户要求示波器原厂提供校准服务。