【BLDC 基础知识】示波器BLDC需要知道的知识

〇、前言

在用示波器进行测量BLDC的时候， 有一系列示波器的“新名词”需要学习，本文章对这些内容进行汇总：

1. 什么是隔离探头？

2. 如何进行低通滤波

3. 示波器地的本质（与电源地的关系）

①、什么是示波器的隔离探头？有什么作用

简单来说，示波器的隔离探头是一种在其测量端和示波器的接地端之间提供了高等级电气隔离的探头。

为了更好地理解，我们先回想一下普通无源探头（比如随示波器附带的那个）：

• 普通探头： 探头的接地夹是通过示波器的电源线地线，最终连接到大地（即大地电位）的。这意味着，当你把接地夹夹在电路的一个点上时，你强制让这个点成为了示波器参考的“零电位”点。

• 隔离探头： 它在物理和电气上打破了这个直接连接到大地的路径。测量通道是“悬浮”的，不与大地直接相连。

实现隔离的关键技术：

现代隔离探头主要采用两种技术：

1. 光学隔离： 使用LED和光电探测器，通过光来传输信号。光在物理上是绝缘的，从而实现了完美的电气隔离。

2. 电容隔离： 使用高频信号通过微型电容器进行耦合，来传输数据和功率。

这些技术通常被集成在探头内部或一个专用的探头放大器内。

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隔离探头的主要作用

隔离探头最主要的作用是安全和测量的准确性，尤其是在测量非地参考的电压时。

1. 安全测量浮地信号

这是隔离探头最核心、最重要的作用。

• 什么是浮地信号？
  指不直接参考大地电位的信号。一个典型的例子是开关电源（SMPS）的开关节点，比如MOSFET的漏极。这个点上的电压是相对于电源的地，而电源的地（称为“热地”）可能带有很高的交流电压，它并不是安全的大地。

• 危险场景（使用普通探头）：
  如果你用普通示波器的接地夹去夹在这个开关节点上，就等于通过探头将电源的“热地”强制短路到了大楼的大地。这会瞬间产生巨大的短路电流，不仅会炸毁电路元件、损坏探头和示波器，还可能产生电弧，对操作人员造成严重人身伤害！

• 解决方案（使用隔离探头）：
  由于隔离探头的测量端是“悬浮”的，没有接地回路。你可以安全地将探头的接地夹连接到电路中的任何一点（包括开关电源的“热地”），而不会造成短路。因为电流无法形成一个完整的回路流到大地。

2. 避免接地回路

• 问题： 当被测设备本身已经通过三孔插座接地时，如果再用普通示波器（也已接地）去测量，可能会形成“接地回路”。这个回路会像天线一样拾取环境中的噪声（50/60Hz工频噪声及其谐波），导致波形显示上有很大的噪声，影响测量精度。

• 解决： 隔离探头打破了接地回路，从而可以获得更干净、更精确的测量结果。

3. 进行差分测量（低成本方案）

• 真正的差分探头价格昂贵。使用两个匹配的隔离探头，结合示波器的数学运算功能（通道A - 通道B），可以构成一个经济高效的差分测量系统，用于测量跨接在某个元件（如电阻、电感）两端的电压。

• 注意：这种方法的共模抑制比（CMRR）性能通常不如单一封装的专用差分探头，但对于许多应用来说已经足够。

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关键应用场景总结

1. 功率电子领域：

   • 开关电源（SMPS）的研发与维修。

   • 电机驱动电路（如变频器、逆变器）。

   • 不间断电源（UPS）。

   • 太阳能逆变器。

2. 工业控制与自动化：

   • 测量工业设备中与市电直接相连的电路。

3. 家电维修：

   • 维修空调、洗衣机等带有变频驱动板的家电。

4. 汽车电子：

   • 测量汽车电池系统（非接地系统）中的高压部件（如电动汽车的驱动系统）。

5. 浮地电路调试：

   • 任何不以大地为参考的电路，例如由电池供电但需要精确测量多个点电压的复杂电路。

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隔离探头 vs. 差分探头

很多人会混淆这两种探头，它们有相似之处，但侧重点不同：

特性	隔离探头	差分探头
核心原理	断开测量通道与大地之间的连接。	直接测量两个测试点（正极和负极）之间的电压差。
参考点	探头的接地夹可以作为参考点，但这个参考点是“悬浮”的。	没有“地”的概念，只关心两个输入点的差值。
主要优势	安全，防止短路，允许接地夹连接到非地电位。	高共模抑制比（CMRR），能精确测量小信号上的大共模电压。
典型应用	安全地测量浮地系统、电源开关节点。	测量差分信号（如RS485）、抑制强共模噪声（如电机电流采样）。
成本	通常比同等带宽的差分探头稍低。	通常较高。

简单比喻：

• 普通探头：像一把单端的尺子，零刻度线固定在地上。

• 差分探头：像一把游标卡尺，直接测量两点间的距离，不管这两点离地有多高。

• 隔离探头：像一把可以随意移动零刻度线的尺子，你可以安全地把零刻度放在任何你想放的位置，而不会触电或引起爆炸。

结论

示波器隔离探头是一个至关重要的安全工具。它使得工程师能够安全、准确地对那些不直接参考大地电位的高压电路进行测量。在进行功率电子、开关电源或任何涉及市电的电路调试时，使用隔离探头不仅是保证测量准确性的选择，更是保护人员、设备和示波器安全的必要措施。

 

 

 

②、示波器“地”的本质

 

原文来自 知乎：工程师看海

​https://zhuanlan.zhihu.com/p/525347790

作为一名硬件工程师，理解地的概念是至关重要的，这会影响到我们系统的稳定性、测试的精确性，本节从信号源、示波器、生理信号采集等角度解读地的概念，加深对地的理解。

首先，举一个最简单的例子，在示波器检测标定方波时，接地用的鳄鱼夹可以不接地（直接悬空），因为此时探头插上探头座后，相当于已经接地。

第二个例子———信号源和示波器是我们常用的设备，一个最简单的操作是用信号源产生一个信号，用示波器来采集这个信号，这个简单的过程就可以帮助我们理解地的概念。下图是信号源、示波器与地的连接示意图，信号源和示波器的探头有两根线，一根是信号线、另一跟是地线，构成了单端信号的传输方式，信号源与示波器的电源插头都是3引脚的220V插头，有地线、零线和火线3个引脚，当他们插在3头插座时，3头插座有一个地线，将信号源的地、示波器的地与大地连接在了一起，此时信号源与示波器探头上的地线即使不连接，示波器也能够采集到信号源的信号。

在第二行的图中，使用了两引脚的插座，插座上虽然用3引脚的孔，但是地孔上并没有导线连接，因此即使信号源和示波器插到这种2孔插排上，他们的地也没有做的共地。这种情况下为了做到共地，就需要把信号源探头地线和示波器探头地线连接到一起，共地后才能正常采集信号。

下面例子是用采集卡采集功放的电流，电路连接错误导致电路烧毁。图(a)是采集卡测电流的示意图，大功率的功放驱动负载，用采集卡测量串联电阻的电压，进而测量功放的输出电流，采集卡是单端采集模式，有两个通道，当按照(a)连接电路后，图中的红色导线发热严重最终烧毁。这是因为采集卡和功放都是3头的插头，连接了接地插排，二者的地在插座处形成了共地，(a)中Ch1有信号线和地线，当地线连接到电阻一边时，是相当于把电阻的这一边接地了，把功放短路，短路电流路径见(a)中的虚线箭头。想要正确测量功放输出电流波形有多种方法。

(b)中是用两个通道，按照单端采集方式分别采集电阻两端的电压，然后用Ch1的电压减Ch2的电压就是电阻两端的电压。(c)是把电阻放在低边，电阻和负载是串联关系，用采集卡的一个通道测量经过电阻的电压就可以了。(d)是使用差分采集方式，这种方式的采集精度更高，如果把电阻放在靠近地的低边检测，实现起来更容易，手机电池电量计很多就是放在低边检测电流。

 

扩展：为什么示波器的接地非常麻烦，不能用万用表一样弄一个黑表笔呢？

核心区别：浮地测量 vs. 共地测量

• 示波器测量方式： 示波器探头尖端测量的是该点与接地夹之间的电压。而接地夹是直接连到大地的。所以，示波器测量的是电路某点相对于大地的电压。

• 万用表测量方式： 万用表测量的是红表笔和黑表笔之间的电势差。你可以把黑表笔放在电路中的任何一点，然后红表笔去测另一点，读数就是这两点之间的电压。黑表笔在这里只是一个相对的参考点，而不是“大地”。

短路风险（最常见、最危险的麻烦）

这是最核心的原因。因为所有通道的接地夹都是连在一起的并接到大地，所以你不能随意将接地夹接到电路的任何一点。

• 灾难性场景： 假设你想测量一个开关电源中开关管的两端电压。如果你把示波器的地线夹接在开关管的漏极，探头尖端接到源极。由于源极通常是电源的“热地”（不是大地），而你的示波器地线夹通过电源线连接到了真正的大地。

• 后果： 当你接通电路时，相当于用一根导线（示波器的地线）将电路中的“热地”与“大地”短接在一起！这会瞬间产生巨大的短路电流，很可能炸毁你的电路板、损坏示波器，甚至引发人身安全事故。

万用表就不会有这个问题，因为它的两个表笔是悬浮的，没有连接到大地，所以即使你跨接在开关管两端，也不会造成短路。

 

例子：示波器测量电池电压

我们用一个非常经典的、容易理解的例子来代替开关管——一个普通的电池电路。

想象一个最简单的电路：一节9V电池，连接一个小灯泡让它发光。

在这个电路里：

• 电流从电池正极流出，经过灯泡，流回电池负极。

• 电池的负极，就是我们整个电路的“公共地”（或者叫参考点）。

场景一：用万用表测量（安全又随意）

你想测量灯泡两端的电压。

1. 正确测量：你把万用表的红表笔接到灯泡靠近电池正极的一端，黑表笔接到灯泡靠近电池负极的一端。读数：9V。完美。

2. “错误”但无妨的测量：现在，你突发奇想，把黑表笔直接接到了电池的正极上，然后用红表笔去测灯泡的另一端。

   • 会发生什么？

   • 答案：万用表会显示一个负数（比如-9V），或者一个很小的电压。 它不会损坏任何东西。因为万用表自己是悬空的，它的黑表笔只是它自己定义的“0V”参考点。你这样接，只是把参考点搞错了，但不会产生短路电流。

万用表的核心：它的两个表笔只关心彼此之间的电压差，不与任何外部世界强制连通。

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场景二：用台式示波器测量（危险的陷阱）

现在，我们换成台式示波器。记住关键点：示波器的接地夹（黑夹子）是通过电源线直接连到大地上的。

你同样想测量灯泡两端的电压。

1. 正确测量：你把示波器探头的尖端接到灯泡一端，接地夹接到灯泡的另一端（电路的公共地，也就是电池负极）。读数：9V。完美。

2. 灾难性的测量（这就是那个麻烦的例子）：
   你一不小心，把示波器的接地夹，错误地夹在了灯泡靠近电池正极的那一端！而探头的尖端，也碰到了同一个点。

   • 现在电路里发生了什么？

   • 我们来看电流路径：电流从电池正极流出，首先就遇到了你夹在上面的示波器接地夹。这个接地夹像一座桥，直接连通到了大地。然后，电流会顺着大地，流回你家里电源系统的大地线，最终想方设法流回电源的总接地端。

   • 关键点：电流并没有流经灯泡回到电池负极，它找到了一条“捷径”——通过你的示波器直接到了大地！

   • 后果： 这会瞬间产生一个巨大的短路电流！结果很可能是：

     • 啪！ 一声，你的电路板烧毁。

     • 示波器的探头损坏。

     • 电池剧烈发热甚至爆炸。

     • 最坏情况，引发火灾或人身伤害。

 

转载自：

知乎：工程师看海

​https://zhuanlan.zhihu.com/p/525347790

 

 

③、示波器如何进行低通滤波呢

好的，这是一个非常实用的信号处理问题。示波器进行低通滤波主要有以下几种方法，从硬件到软件，从简单到复杂，各有优劣。

总结来说，示波器进行低通滤波主要有三大类方法：

1. 硬件方法： 使用探头本身的带宽限制功能。

2. 示波器内置功能： 开启示波器的数字滤波器（最常用、最灵活）。

3. 软件/外部方法： 通过示波器的FFT功能或外部软件进行后处理。

下面我们详细讲解每一种方法。

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方法一：硬件方法 - 使用探头的带宽限制

许多示波器探头，特别是高压无源探头，在探头本体上会有一个带宽限制开关，通常标记为 BW LIMIT。

• 原理： 这是一个物理的硬件滤波器电路，通常是一个简单的RC低通滤波器。

• 作用： 当开启时，它会截止高频噪声。常见的截止频率是 20MHz。

• 何时使用：

  • 测量含有高频噪声的低频信号时（如开关电源的纹波和噪声测量）。

  • 当信号本身频率不高，但示波器采样产生的高频“毛刺”干扰观察时。

• 优点：

  • 简单快捷，一键开启。

  • 在信号进入示波器ADC（模数转换器）之前就进行滤波，可以防止高频噪声导致ADC过载或产生混叠。

• 缺点：

  • 截止频率固定，通常只有一两个选项（如20MHz），灵活性很差。

  • 会影响所有通过该通道的信号。

操作步骤： 直接在探头上找到并拨动带宽限制开关即可。

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方法二：示波器内置数字滤波器（最核心、最强大的方法）

现代数字示波器（DSO）都内置了强大的数字信号处理功能，其中就包括可配置的数字滤波器。这是最常用和最灵活的方式。

操作步骤（不同品牌示波器菜单略有差异，但逻辑相通）：

1. 按下通道按键（如 CH1），打开通道菜单。

2. 在菜单中寻找 “滤波器” 或 “Filter” 选项。

3. 进入后，通常可以看到：

   • 带宽限制： 一个简单的数字实现的低通滤波，通常有 20MHz、100MHz、200MHz 等固定选项。这是方法一的“软件版”，但提供了更多选择。

   • 高级滤波器 / 数字滤波器： 这才是功能最全的部分。在这里，你可以自定义滤波器类型和参数。

可配置的参数：

在高级滤波器模式下，你通常可以设置：

• 滤波器类型：

  • 低通： 只允许低于截止频率的信号通过。

  • 高通、带通、带阻： 满足其他滤波需求。

• 截止频率： 你可以自由输入一个频率值（如 35.5kHz）。这是它比硬件方法强大的地方。

• 带宽/频率范围： 定义滤波器的频率响应特性。

• 滤波器阶数： 阶数越高，滤波器的滚降越快，即通带和阻带之间的过渡越陡峭，滤波效果越好，但可能引入更大的相位失真。

优点：

• 极其灵活：可以随意设置截止频率和滤波器特性。

• 非破坏性：数字滤波是在采样后对波形数据进行处理，不影响原始信号的采集和存储。你可以随时打开或关闭滤波效果进行对比。

• 功能强大：提供多种滤波器类型（低通、高通、带阻等）。

缺点：

• 无法防止混叠：因为是在采样后处理，如果信号中有高于奈奎斯特频率（采样率的一半）的成分，仍然会发生混叠。这时需要先使用方法一（探头BW）或确保示波器的采样率足够高。

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方法三：软件/后处理方法

1. 使用FFT（快速傅里叶变换）功能

示波器的FFT功能将时域信号转换为频域信号，让你能“看到”信号中各个频率成分的强度。

• 操作：

  1. 按下 Math 键，选择函数为 FFT。

  2. 正确设置频域参数（中心频率、频宽）。

  3. 在频域图上，你可以清晰地看到哪些频率成分是噪声（比如一个50Hz的电源峰，或一个高频的开关噪声峰）。

• 作用： FFT本身是一个分析工具，而不是一个直接的滤波器。但它能指导你如何设置方法二中的数字低通滤波器。例如，如果你通过FFT发现100kHz以上全是噪声，那么你就可以在数字滤波器中设置一个80kHz的低通滤波器来滤除它们。

2. 使用外部软件或示波器的高级分析功能

• 一些高端示波器支持波形运算功能，你可以输入复杂的滤波公式。

• 或者，将波形数据保存到U盘，然后导入到电脑上的专业软件（如 MATLAB、Python with SciPy、LabVIEW）中进行更精确、更复杂的滤波处理。这在需要特定滤波器（如切比雪夫滤波器、椭圆滤波器）时非常有用。

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实际应用场景与建议

1. 测量电源纹波和噪声：

   • 标准做法： 首先将探头设置为 1X 衰减（带宽更低），并开启探头的 20MHz 带宽限制。这能有效滤除高频开关噪声，让你看到真实的低频纹波。

2. 观察被噪声淹没的数字信号：

   • 使用示波器的数字低通滤波器，设置一个略高于信号时钟频率的截止频率，可以完美地还原出清晰的方波，去除振铃和毛刺。

3. 分析传感器信号：

   • 很多传感器信号（如温度、压力）频率很低但很微弱，容易受干扰。使用一个低截止频率（如 1kHz）的数字低通滤波器，可以大幅提高信噪比。

总结

方法	原理	灵活性	主要用途	关键优势
探头带宽限制	硬件RC滤波	差（固定频率）	抑制高频噪声，测电源纹波	防止ADC过载和混叠，操作简单
示波器数字滤波	数字信号处理	高（频率、类型可调）	通用信号调理，去除特定噪声	灵活、非破坏性，功能强大
FFT分析	频域变换	分析而非滤波	诊断噪声来源和频率	指导如何设置滤波参数

最佳实践建议：
对于日常使用，方法二（示波器内置数字滤波器） 是你的首选，因为它最灵活。当处理可能包含极高频率噪声的信号时，先使用方法一（探头BW限制）作为第一道防线，然后再用方法二进行精细调整。方法三（FFT）则是在你对噪声特性不了解时，进行问题诊断的利器。