具有安全保护电路的示波器的制作方法

本实用新型涉及电工技术的电子测量仪器领域，特别是涉及一种具有安全保护电路的示波器。

背景技术：

图1为传统示波器的地环路示意图。大多数传统示波器是直接接保护地（即接地）的，如图1中第一路径A所示。被测设备也是有可能接保护地的，如图1中第二路径B所示。在实际测量操作当中，探头接地线必然会将示波器的地电位与被测设备的地电位连接到一起，如图1中第三路径C所示，这样就出现了接地环路。

如果这个环路所在的周围环境当中存在变化的磁场，接地环路中就会出现环路电流。环路中循环的电流会在环路内部任何阻抗中积聚电压。这样，在任意一个时间点上，环路当中的各个节点都不会处于相同的AC电位。这种电位差有可能只有几微伏，也有可能高达几百毫伏。

对于便携式平板示波器，如果采用外置的接保护地的电源适配器来为示波器供电，也会形成地环路，而且，此时地环路所引发的问题会更加明显。图2为采用外置的接保护地的电源适配器供电的便携式平板示波器的地环路示意图。正常情况下，外置电源适配器输出到示波器的供电电流，是需要沿着图2中第四路径D和第一路径A返回到保护地的。对于存在地环路的示波器，给示波器供电的返回电流不一定全部沿着第四路径D和第一路径A返回到保护地，其中一部分返回电流沿着探头连接地线从被测设备返回到保护地，也就是说，其中一部分返回电流沿着图2中第三路径C和第二路径B返回到保护地。由于便携式平板示波器的供电电压通常只有12V，供电电流通常可以达到1安培的量级。这么大的返回电流，即使只有一部分从探头连接地线上经由被测设备返回到保护地，也足以导致探头连接地线上存在几十毫伏到几百毫伏的电位差。而且，示波器的工作电流通常是变化的，因此，探头连接地线上的返回电流也是变化的，继而导致探头连接地线上的电位差也在不断地变化之中。

对于那些传统的接地示波器，供电电压通常是220V，因此供电电流会小很多，从探头连接地线上经由被测设备返回到保护地的返回电流也会小很多。虽然很小，可毕竟还是存在的，这个返回电流也是不断变化的。另外，如果被测设备也是采用外置的接保护地的电源适配器供电，给被测设备供电的返回电流也不一定沿着被测设备原路返回，有相当一部分返回电流会从探头连接地线上经由传统接地示波器返回到保护地。因此，采用传统接地示波器测量这样的被测设备，其测量误差也会更加明显。

由于探头连接地线上的电位差的存在，示波器输入BNC连接器上的地电位与被测设备中的地电位并不相同，由于示波器是以输入BNC连接器上的地电位为参考的，因此示波器屏幕上显示的波形可能并不表示被测设备上的实际信号。随着被测信号的幅度降低，这种误差会变得愈加明显。

为了克服地环路的问题，最显而易见的解决方案应该是，去掉三线插头的接地端或使用隔离电源适配器。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种解决方案虽然简单方便，可这是不安全的测量方法。如果某一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压上，那么整个示波器的机壳，包括所有的接插件，比如说，模拟输入BNC连接器或者USB接口，都会带有相同的高电压。人体触摸到外露的金属接插件，都有可能会触电，带来人身伤害。另外，电源适配器的变压器上会累积过高的应力电压，这种应力电压可能不会立即导致故障，但即使示波器恢复到正常接地状态，将来仍可能会发生危险故障。另外，还有一种情况值得一提，如果示波器通过USB接口连接到台式机电脑，台式机电脑通常是连接到保护地的，那么此时的示波器还是通过USB连接线和台式机电脑连接到了保护地，地环路在无意之中又形成了。可见，这种解决方案，不但不安全，也不可靠，并不能保证地环路始终是断开的。

为了克服传统示波器，尤其是便携式平板示波器，地环路的问题。可能的解决方案还有以下四种。

解决地环路问题的第一种传统解决方案是，使用差分探头。这种解决方案的缺点是，探头仍有一条到接地的电阻路径，因此如果电路对泄漏电流灵敏，那么差分探头可能并不是最佳的解决方案。另外差分探头通常价格较高，增加了一笔不小的成本，具体视示波器功能，还可能要求独立的电源，这又增加了成本和体积。在出厂时，还必须手动确定每种测量的增益和偏置特点。另外，差分探头的带宽通常比较低，在很多的场合，差分探头的带宽都是不够的。

解决地环路问题的第二种传统解决方案是，使用隔离通道示波器。隔离通道示波器也有两种实现方案。一种方案是在每个模拟前端当中分别放置一个模拟的隔离放大器。这种方案的缺点是，模拟隔离放大器的线性度和频带特性都比较差，而且成本高。另外一种方案是，在模数转换器及采样存储模块的后面放置数字隔离器。不过，为了让两个模拟通道之间也电气隔离，在每个通道的模拟前端之后，都需要添加一套模数转换器、采样存储模块和数字隔离器。为了让两个通道之间能够同步信号采集，可能在两个通道之间还需要再增加一套数字隔离器。这种方案的优点是，没有模拟隔离放大器的线性度和频带特性的问题。缺点是，成本高，实现起来太复杂。总之，标准的隔离通道示波器，实现起来总是很复杂的，而且成本高。采用隔离通道示波器的方案来解决地环路的问题，显得过于复杂化，成本过高。何况，我们的目标并不是要实现标准的隔离通道示波器，我们只是要把示波器的地环路断开。

解决地环路问题的第三种传统解决方案是，在模数转换器及采样存储模块的后面，采用数字隔离器来隔离地环路。在此，以两通道示波器为例。图3为这个方案的原理框图。与第二种传统解决方案不同的是，两个模拟通道之间不是电气隔离的。数字隔离器实现了左右两端数字信号的电气隔离。这种解决方案的优点是，不需要在传统示波器的基础上再额外添加一套模数转换器及采样存储模块，只需要添加一套数字隔离器。数字隔离器是比较成熟的技术，成本低，易于实现，也不存在模拟隔离放大器的线性度和频带特性差的问题。

地环路被隔离开之后，示波器的主控制板供电，完全可以采用已经连接到保护地的电源适配器，也不会有地环路的存在。给示波器供电的返回电流，只能沿着电源适配器原路返回，因为通往探头接地线的路径已经被切断了，探头接地线上不会有电流流过。因此，采用这样的示波器测量低频小信号，其测量结果会更加准确。即使某一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压，示波器外壳和示波器主控制板上的接插件，都不会带有高电压，因为此时波器主控制板已经接到了保护地。

综上所述，第三种传统解决方案是一种简单有效的地环路隔离方案。可是这种解决方案，仍然是有缺点的。虽然示波器主控制板上的外露金属接插件都不会带有高电压，可是，由于两个模拟通道之间不是电气隔离的，两个通道的模拟输入BNC连接器，仍然是共地的，而且都是浮地的。

两个模拟通道与示波器主控制板电气隔离之后，两个模拟通道浮地而且共地，会发生两种可能的风险。

第一种可能的风险，如果两个通道的探头接地夹分别连接到了不同的浮地电压上面，可能会造成被测设备的短路。

第二种可能的风险，如果其中一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压上，则另外一个模拟通道的输入BNC连接器上也会带有相同的高电压。这时，人体触摸到另外一个模拟通道的输入BNC连接器，有可能会触电，可能会带来人身伤害。

解决地环路问题的第四种传统解决方案是，将传统示波器采用电池供电。采用电池供电，确实能够有效地将地环路隔离开。不过，这时两个模拟通道仍然是浮地而且共地的，既然是“浮地而且共地”，那就同样会存在第三种传统解决方案的两种可能的风险。

事实上，这种方案还没有第三种传统解决方案安全可靠。电池供电的传统示波器，一旦某一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压，整个示波器外壳和所有外露的金属接插件，都会带有相同的高电压。相比之下，第三种传统解决方案采用数字隔离器来隔离地环路，如果某一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压，只有另外一个模拟通道的输入BNC连接器上会带有相同的高电压，示波器外壳和其余的金属接插件，是没有高电压的。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有安全保护电路的示波器，其为了克服两个模拟通道浮地而且共地所带来的可能的风险，为示波器添加安全保护电路，在最大程度上，尽量降低可能的风险。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种具有安全保护电路的示波器，其特征在于，其包括相互连接的限流装置、开关装置、电位差检测及开关控制装置，限流装置由第一电阻和第一电容并联组成；开关装置由继电器、第八电阻、第九电阻、第四晶体管组成，第八电阻、第九电阻分别与继电器的两端串联，第四晶体管的发射极接地，第四晶体管的基极与第八电阻串联；电位差检测及开关控制装置由第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管组成，第二电阻和第三电阻串联，然后串接在示波器两个输入BNC连接器的接地端，用于检测两个输入BNC连接器的接地端的电位差；第一晶体管的发射极与第二晶体管的发射极连接，第一晶体管的集电极、第三晶体管的集电极都与第四电阻连接，第二晶体管的集电极、第六电阻都与第五电阻连接，第三晶体管的发射极与第七电阻连接，第六电阻与第三晶体管的基极连接。

优选地，所述第一电阻的典型值为2K欧姆，第一电容的典型值为1μF。

优选地，所述第四电阻的典型值为196K欧姆，第五电阻、第六电阻、第八电阻的典型值都为20K欧姆，第七电阻的典型值为10K欧姆，第九电阻的典型值为499欧姆。

优选地，所述第一晶体管、第三晶体管、第四晶体管都为BC846BW型晶体管，第二晶体管为BC856BW型晶体管。

本实用新型的积极进步效果在于：针对示波器两个模拟通道浮地而且共地可能带来的风险，在示波器内部添加了安全保护电路，不但降低了被测设备短路的风险，而且还大大降低了人体触电的风险。在最大程度上，保护设备和人身安全。

附图说明

图1为传统示波器的地环路示意图；

图2为采用外置的接保护地的电源适配器供电的便携式平板示波器的地环路示意图；

图3为解决地环路问题的第三种传统解决方案的原理框图；

图4为本实用新型提供的安全保护电路的框架示意图；

图5为本实用新型提供的安全保护电路的具体结构图；

图6为本实用新型提供的安全保护电路与解决地环路问题的第三种传统解决方案结合之后的结构图。

具体实施方式

图5为本实用新型提供的安全保护电路的结构图。如图4至图6所示，本实用新型具有安全保护电路的示波器包括相互连接的限流装置11、开关装置12、电位差检测及开关控制装置13，限流装置11由第一电阻R1和第一电容C1并联组成；开关装置12由继电器RL1、第八电阻R8、第九电阻R9、第四晶体管Q4组成，第八电阻R8、第九电阻R9分别与继电器RL1的两端串联，第四晶体管Q4的发射极接地，第四晶体管Q4的基极与第八电阻R8串联；电位差检测及开关控制装置13由第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3组成，第二电阻R2和第三电阻R3串联，然后串接在示波器两个输入BNC连接器的接地端，用于检测两个输入BNC连接器的接地端的电位差；第一晶体管Q1的发射极与第二晶体管Q2的发射极连接，第一晶体管Q1的集电极、第三晶体管Q3的集电极都与第四电阻R4连接，第二晶体管Q2的集电极、第六电阻R6都与第五电阻R5连接，第三晶体管Q3的发射极与第七电阻R7连接，第六电阻R6与第三晶体管Q3的基极连接。

本实用新型由第二电阻R2和第三电阻R3去检测两个通道输入BNC连接器的接地端的电位差，然后根据这个电位差去控制继电器RL1的断开和闭合。

两个模拟通道是共地的，我们统称其为示波器模拟地。在图5中，第一通道1的输入连接器BNC1的接地端，直接连接到示波器模拟地。第二通道2的输入连接器BNC2的接地端，并没有直接连接到示波器模拟地，而是先通过第一电阻R1、第一电容C1和一个继电器RL1，然后再连接到示波器模拟地。

正常情况下，两个通道的探头接地夹需要连接到被测设备的相同电压上面，这时，第二电阻R2和第三电阻R3上面没有电流流过。第三电阻R3上面没有电压差。第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3都是截止的。第四晶体管Q4是导通的。因此，继电器RL1是闭合的，第二通道2的输入连接器BNC2的接地端就通过第一电阻R1和第一电容C1直接连接到了示波器的模拟地。在本实用新型中，R1=2K欧姆，C1=1μF，而典型的示波器输入电阻是1M欧姆，输入电容是15pF~20pF，因此，第一电阻R1和第一电容C1引入的测量误差小于等于0.2%。

如果第二通道2的探头接地夹电压大于第一通道1的探头接地夹电压，第二电阻R2和第三电阻R3上面会有电流流过，当第三电阻R3上的压降大于第一晶体管Q1的导通电压，通常是0.7V左右，第一晶体管Q1就会导通，第一晶体管Q1的集电极电压降低，使第四晶体管Q4的基极电压降低，导致第四晶体管Q4截止。这时，继电器RL1就会断开。

如果第二通道2的探头接地夹电压小于第一通道1的探头接地夹电压，第二电阻R2和第三电阻R3上面也会有电流流过，只是电流方向与前面一种情况相反，当第三电阻R3上的压降大于第二晶体管Q2的导通电压，通常是0.7V左右，第二晶体管Q2就会导通，在第五电阻R5形成电压差，这个电压差可以使第三晶体管Q3导通，第三晶体管Q3的集电极电压降低，使第四晶体管Q4的基极电压降低，导致第四晶体管Q4截止。

在本实用新型中，R2=91K，R3=36K，只要两个通道的探头接地夹的电压差超过2.5V，电阻R3上的压降就可以达到0.7V，这时，第一晶体管Q1或者第二晶体管Q2就能够导通。这就是说，只要两个通道的探头接地夹的电压差超过2.5V，继电器RL1就会断开。如果两个通道的探头接地夹上面有电压差，可是电压差不超过2.5V，继电器RL1会保持闭合。这时第一电阻R1和第一电容C1就起作用了，第一电阻R1和第一电容C1会将两个通道的探头接地夹之间的电流限制在一个安全的范围内。在最大程度上，降低被测设备短路的风险。

再考虑另外一种可能的风险。如果其中一个模拟通道的探头接地夹接到了高电压上，则另外一个模拟通道的输入BNC连接器上也会带有相同的高电压，如果人体触摸到另外一个模拟通道的输入BNC连接器，第一电阻R1和第一电容C1上面就会有电流流过，在第一电阻R1和第一电容C1上面产生电位差，这个电位差同时也会施加到第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2和第三电阻R3就会有电流流过。前面的分析表明，只要两个通道的探头接地夹的电压差超过2.5V，继电器RL1就会断开，从而大大降低可能的触电风险，在最大程度上，保护人身安全。

第一电阻R1和第一电容C1并联的阻抗值越大，安全保护的等级就越高，被测设备短路的风险越小，人体触电的风险也越小。不过，安全保护的等级越高，第一电阻R1和第一电容C1引入的测量误差也就越大。本实用新型推荐的取值为，第一电阻R1的典型值为2K欧姆，第一电容C1的典型值为1μF。这时，第一电阻R1和第一电容C1引入的测量误差小于等于0.2%。第一电阻R1和第一电容C1的具体的取值，可以根据应用场合的不同和安全等级要求的不同，做出适当的调整。

在本实用新型中，第二电阻R2和第三电阻R3用来检测两个通道的探头接地夹之间的电压差。通常情况下，第三电阻R3两端的电位差大于0.7V，继电器RL1就会断开。因此，第二电阻R2和第三电阻R3的比例关系，决定了何时将继电器RL1断开。本实用新型推荐的取值为，R2=91K，R3=36K。这时，只要两个通道的探头接地夹的电压差超过2.5V，继电器RL1就会断开。第二电阻R2和第三电阻R3的具体取值，也可以根据应用场合的不同和安全等级要求的不同，做出适当的调整。

第四电阻R4的典型值为196K欧姆，第五电阻R5、第六电阻R6、第八电阻R8的典型值都为20K欧姆，第七电阻R7的典型值为10K欧姆，第九电阻R9的典型值为499欧姆。

第一晶体管Q1、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4都可以选择BC846BW型晶体管，也可以选择类似的NPN型晶体管。还可以选择N沟道JFET或者MOSFET，然后稍加修改，就可以应用在本实用新型的安全保护电路；第二晶体管Q2可以选择BC856BW型晶体管，也可以选择类似的PNP型晶体管，还可以选择P沟道JFET或者MOSFET，然后稍加修改，就可以应用在本实用新型的安全保护电路；继电器RL1可以选择Panasonic公司的TX2-5V，也可以选择其它的具有开关功能的电子元器件，然后稍加修改，就可以应用在本实用新型的安全保护电路。

数字隔离器可以采用ADI公司的四通道数字隔离器ADUM1401BRWZ，也可以采用TI公司的ISO7241CQDWRQ1，也可以选择其它的具有电气隔离功能的电子元器件，然后稍加修改，就可以应用在本实用新型的安全保护电路。

本实用新型涉及一种具有安全保护电路的示波器。为了解决示波器地环路的问题，需要采用数字隔离器把两个模拟通道与示波器主控制板隔离开。可是，两个模拟通道之间没有实现电气隔离。两个模拟通道是浮地的，而且共地的，可能会造成被测设备短路，或者人体触电。本实用新型提供了一种安全保护电路，不但降低了被测设备短路的风险，而且还大大降低了人体触电的风险。在最大程度上，保护设备和人身安全。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。