慎選示波器/探棒款式 浮動量測作業安全無虞
所有電壓量測都是差動量測，差動量測定義為兩點之間的電壓差。電壓量測分為兩類，分別是接地參考量測和非接地參考量測，後者又名浮動量測。大多數傳統示波器將「訊號參考」端子連接到保護接地系統上，通常稱為「接地」。透過這種方式，所有應用到示波器的訊號，或示波器提供的訊號，都會有一個共同連接點。這個共同連接點通常是示波器機箱，透過交流電(AC)供電裝置電源線中的第三條線接地，來保持在(或接近)零伏特(V)，這意味著每個輸入通道參考點，都連結在一個接地參考源上。所以，不應使用傳統被動式探棒直接在接地參考的示波器上進行浮動量測，因為一旦電流太高時，傳統被動式探棒會開始變熱，並像燒壞保險絲般熔化斷開。
接地迴路形成原因與特性分析
當兩個或兩個以上單獨接地路徑，連結到兩個或兩個以上的點時，會出現接地迴路。一個導體迴路在存在變化的磁場時，這個迴路會變成變壓器的次級電路，作為短路線圈操作。附近承載非直流電(DC)電流的任何導體都會產生磁場，激發變壓器。許多導線、甚至數位IC輸出引線中的AC線路電壓都會產生這種激發作用，迴路中迴圈的電流，會在迴路內部任何阻抗中積聚電壓。任何給定時點上，接地迴路各個點都不會位於相同的AC電位。
如圖1，將示波器探棒地線連接到待測電路上，如果電路「接地」到接地裝置，那麼會產生接地迴路。作用在路徑內部阻抗上的迴圈電流，會導致電壓電位積聚在探棒接地路徑中。
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| 圖1 將示波器探棒地線連接到待測電路上，如果電路「接地到」接地裝置，那麼會產生接地迴路。 |
示波器輸入BNC連接器上的「接地」電位，與待測電路中的接地不同，電位差可以是幾微伏特，也可以高達幾百毫伏特。由於示波器從輸入BNC連接器的外殼上參考量測，因此顯示的波形可能並不表示探棒輸入上的實際訊號。隨著待測訊號的振幅下降，誤差變得更加明顯。
使用電池操作 示波器可進行單一量測
使用AC電源線及標準三線電源線操作時，所有接地輸入通道、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30VRMS的單一安全浮動量測；記住，所有輸入共同源都捆綁在一起。
共用參考點和隔離通道架構下 建議參考點連接系統接地
大多數桌上型示波器共用圖2架構。進行多通道量測時，所有輸入訊號必需有相同的電壓參考，共用的預設參考是接地參考。如果沒有差動前置放大器或外部訊號隔離器，這些桌上型示波器則不適合進行浮動量測。
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| 圖2 共用參考點示波器架構 |
與傳統桌上型示波器架構相較，這種隔離通道架構中的電壓參考，沒有和儀器內部連接。因此，輸入的參考點必須連接到參考電壓上。獨立浮動隔離輸入仍由寄生電容耦合，可能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。基於此，建議將參考點連接到系統接地或另一個穩定電壓上(圖3)。
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| 圖3 隔離通道示波器架構 |
浮動量測各選項優缺點
高壓浮動量測提供的不同選項，包括隔離輸入示波器、差動式探棒、電壓隔離裝置、「A-B」量測技術、示波器「浮動」技術。
隔離輸入示波器量測提供通道隔離
採用IsolatedChannel輸入架構的示波器，提供完整通道到通道和通道到電源線隔離能力，每個通道相互單獨隔離，同時與其他非隔離裝置隔離。在使用IsolatedChannel示波器進行浮動量測時，必須使用專門設計的被動式探棒。與大多數傳統示波器使用的被動式探棒不同，這些類型探棒在BNC連接上絕緣，防止發生觸電；參考引線則為耐受額定浮動電壓而設計。
隔離輸入通道示波器是一種安全可靠的浮動量測。通道到通道隔離和通道到接地隔離的好處，是能同時參考不同電壓多個訊號，且不增加專用探棒成本或昂貴笨重的電壓隔離器。通道到電源線隔離，能消除訊號源接地與示波器之間的路徑。
然而與差動式探棒不同，隔離輸入通道沒有提供均衡浮動量測。到接地的阻抗在探棒頭(+)輸入和參考(-)輸入之間不同。由於隔離通道的參考(-)輸入，不像接地示波器有預設參考位準，因此必需將探棒的參考引線連接到待測裝置的參考點上。由於沒有到接地的分流，因此螢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基線雜訊。示波器使用平均擷取模式，則可減少示波器基線雜訊。
差動式探棒量測安全且品質好
透過差動式探棒系統，可以使大多數接地示波器進行浮動量測。某些差動式探棒振幅較低且處理速度快，其他探棒則處理速度較慢、電壓振幅較高的訊號。
差動式探棒也為調整接地示波器進行浮動量測，提供一種安全的方法。除安全性優勢外，使用這些探棒可以改善量測品質。差動式探棒提供均衡量測輸入電容，可以使用任意一條引線，安全探測電路中任何點。比電壓隔離器更高的頻率上，差動式探棒一般比共模抑制比(CMRR)效能更好。另一優點是全面利用示波器的多個通道，同時觀察多個訊號，參考不同的電壓。
探棒缺點是有一條到接地的電阻路徑，如果電路對洩漏電流靈敏，那麼差動式探棒可能並不是最佳的解決方案。其他缺點包括多一層成本(視示波器功能而定)，可能需要獨立的電源，增加成本和體積。出廠時，必須手動確定每種量測的增益和偏壓特性。
電壓隔離器量測無接地電阻路徑
電壓隔離器量測無接地電阻路徑
電壓隔離器在浮動輸入與接地參考輸出之間，沒有直接的電氣連接，訊號透過光分配器或變壓器手段耦合。電壓隔離器為安全量測浮動電壓提供一種手段，由於隔離器沒有接地的電阻路徑，因此對洩漏電流異常靈敏的應用來說，它們是一個很好的選擇。但電壓隔離器多一層成本，必須使用單獨電源和隔離放大器箱。出廠時必須為每項量測，手動確定增益和偏壓特性。
「A-B」量測適用任何示波器和探棒
「A-B」量測技術(或稱虛差動量測)可以用傳統示波器及被動式電壓探棒，間接進行浮動量測。一個通道量測「正」測試點，另一個通道量測「負」測試點。從第一個量測值中減去第二個量測值，去掉兩個測試點的共同電壓，來觀察不能直接量測的浮動電壓。示波器通道必須設定成相同的伏特或格；探棒應與示波器配套，使CMRR達到最大(圖4)。
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| 圖4 量測接地參考電壓的兩支探棒實例 |
幾乎任何示波器和標準配備探棒，都能簡便完成「A-B」量測技術。只是兩個測試點必須接地參考，如任意一測試點浮動或整個系統都浮動，則不適用。進行量測時，要使用兩個示波器通道。因為示波器垂直通道動態範圍的限制，使得共模範圍相當小，大概不到來自接地設定的十倍。在共模電壓大於差模電壓時，「A-B」量測技術可能會被認為是從兩個大電壓中提取小的差異。這種技術適合共模訊號的振幅與差模訊號相同或低於差模訊號，且共模成分是DC或低頻，如50赫茲(Hz)或60Hz電源線的應用。在量測振幅適中的訊號時，能從量測中有效消除接地迴路電壓。
「浮動」傳統接地示波器 安全疑慮高
使用不會將接地傳送到次級電路的隔離變壓器，或透過將示波器的AC主電源線接地連接器，是一種常用但有風險的示波器浮動量測方式。「浮動」接地參考示波器把所有可以接觸的相同電壓金屬，包括機箱、機殼和連接器，作為探棒參考引線連接的測試點。
儘管浮動裝置是一種利用現有裝置進行浮動量測，消除頻率較低的訊號上接地迴路的方法，但它是一種不安全的危險作法，不應採用這種方法。不管是從示波器上的升壓角度(操作人員可能會發生電擊)，還是由於濾波器變壓器絕緣裝置上累積的應力，這種技術都很危險。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，將來仍可能會發生故障或電擊。
因為電源線供電儀器在接地以上浮動時，會表現大寄生電容，所以切斷接地大多不會中斷接地迴路。振鈴可能會破壞浮動量測，浮動示波器沒有均衡輸入，(圖6)有一個明顯的接地電容。參考點連接的任何來源阻抗，將在快速共模跳變中載入，使訊號發生衰減，高電容可能會損壞某些電路。連接逆電器上方閘極共用的示波器，可能會使閘極驅動訊號速度下降，防止待測裝置關閉，防止破壞輸入橋接器。這種故障常讓工作台上有小火花。
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| 圖6 寄生電感和電容導致的振鈴使訊號失真，使量測無效。 |
另外，「浮動」傳統接地示波器一次只能進行一項量測。所有輸入參考都連結在一起，一旦浮動一個輸入參考，所有輸入參考都會在同一位準上浮動。
浮動量測風險高 須謹慎選擇電壓探棒
隔離輸入示波器把桌上型示波器與專為量測電池之供電產品設計的四個隔離通道架構結合，其與選購的電源套件搭配使用能確保符合同級產品中的進階浮動量測標準。電源套件包括四支被動式高壓探棒、電源量測和分析套裝軟體。電源量測和分析套裝軟體提供電源分析量測(真實功率、虛功率、真實功率因數、相位角)、波形分析量測(RMS、波峰因數、頻率)、諧波量測及切換損耗量測。
工程師執行浮動量測能力時，需要更高流動性且又不降低桌上型儀器效能的示波器，如THS3000，此儀器為手持式設計，堅固耐用，一個電池可連續工作七個小時，並支援自動量測功能，在實驗室操作和現場操作都有很大的通用性。該儀器的隔離通道、高壓擷取(高達1,000VRMSCATII)及進階波形記錄功能，可以安全進行浮動量測，適合連結實驗室與現場量測的使用者。
為進行浮動量測，適當的電壓探棒非常重要，選擇探棒和示波器組合，第一必須確定量測(或過壓)類別。IEC61010-1國際標準為電壓量測儀器規定四種過壓類別，一到四類(表1)過壓皆依據暫態訊號期間，可能存在的電氣能量多少來確定。電壓量測儀器根據耐受電壓暫態訊號的能力來劃分等級。第二，確定最大浮動電壓。第三，確定探棒頭到接地最大電壓。第四，確定從探棒頭到參考引線的最大電壓。最後，確定螢幕上希望的最大峰對峰值讀數。
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在此以太克TPS2000B和THS3000系列示波器為例，剖析如何選擇適當的電壓探棒。
例如要量測線路到線路240VRMS三相Y型主動式諧波濾波器上的峰對峰值電壓時(圖8、表2)，首先，確定所需安裝類別的最大額定輸入電壓：第三類。某種類別等級允許的最大輸入電壓，一般也適用於較低類別的環境。例如，如果儀器等級為300VRMSCATIII，那麼在第二類環境中在300VRMS儀器上工作也安全。對更高的電壓位準，儀器通常會額外確定較低類別的等級值，如同時確定300VRMSCATIII和600VRMSCATII。這種情況並不通用，因此使用者必須在儀器文件中明確測試透過多個類別的等級。
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| 圖8 為示波器選擇適當探棒實例。 |
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其次，確定需要的最大浮動電壓(接地到參考電壓)，這一實例的量測需求為240VRMS。再來，確定最大探棒頭到接地電壓需求。在本例中，工程師確定其大約為140VRMS，四支探棒都滿足這一需求。然後，確定從探棒頭到參考引線的最大電壓，預計待測訊號的最大電壓是240VRMS。
再確定需要的衰減，計算與240伏特對應的最大峰對峰值電壓。因此可觀察的電壓範圍是：240VRMSx√2×2 =679VP-P。最後，選擇滿足最低需求的探棒。
