如何用示波器测量双向直流电源的差模与共模阻抗？

使用示波器测量双向直流电源的差模与共模阻抗需结合信号注入法（如网络分析仪功能或外部信号源+示波器组合），通过分析输入信号与响应信号的幅度和相位关系来计算阻抗。以下是详细步骤和注意事项：

一、核心原理与测量方法

1. 差模阻抗（Differential Mode Impedance）

• 定义：差模阻抗是电源输入端两条线之间的阻抗，反映电源对差模干扰的抑制能力。
• 测量方法：
  • 信号注入：在电源输入端的两条线之间注入差模信号（如正弦波）。
  • 响应分析：用示波器测量注入信号的幅度和相位，以及电源输出端（或输入端）的响应信号。
  • 计算阻抗：通过电压比和相位差计算差模阻抗 ZDM。

2. 共模阻抗（Common Mode Impedance）

• 定义：共模阻抗是电源输入端两条线对地的阻抗，反映电源对共模干扰的抑制能力。
• 测量方法：
  • 信号注入：在电源输入端的两条线与地之间注入共模信号（如正弦波，两条线同相位）。
  • 响应分析：用示波器测量注入信号的幅度和相位，以及电源输出端（或输入端）的响应信号。
  • 计算阻抗：通过电压比和相位差计算共模阻抗 ZCM。

二、测量步骤

1. 硬件准备

• 设备清单：
  • 双向直流电源（DUT）
  • 示波器（带FFT功能或网络分析功能，如Keysight MSOX系列）
  • 信号发生器（或带信号发生功能的示波器，如R&S RTO系列）
  • 隔离变压器（可选，用于安全隔离）
  • 电阻箱或精密电阻（用于校准）
  • 同轴电缆、BNC转香蕉头适配器、测试夹具
• 连接方式：
  • 差模测量：
    • 将信号发生器的输出通过同轴电缆连接到电源输入端的两条线（L和N）。
    • 示波器通道1连接信号发生器输出（参考信号），通道2连接电源输入端的一条线（如L）对另一条线（N）的电压。
  • 共模测量：
    • 将信号发生器的输出通过同轴电缆连接到电源输入端的两条线（L和N）与地之间（需使用Y型连接器）。
    • 示波器通道1连接信号发生器输出（参考信号），通道2连接电源输入端的一条线（如L）对地的电压。

2. 示波器配置

• 信号发生器设置：
  • 输出正弦波信号，频率范围覆盖待测阻抗的频段（如1kHz-1MHz）。
  • 设置输出幅度（如1Vpp），确保信号幅度足够大以便测量，但不超过电源输入端的耐压值。
• 示波器设置：
  • 通道设置：
    • 通道1（参考信号）：耦合方式为DC，衰减比根据信号幅度调整（如1:1或10:1）。
    • 通道2（响应信号）：耦合方式为DC，衰减比与通道1一致。
  • 触发设置：
    • 触发源选择通道1，触发模式为边沿触发或正常触发。
  • 测量设置：
    • 开启“测量”功能，选择“幅度”和“相位差”测量。
    • 若需频域分析，开启FFT功能，设置中心频率和分辨率带宽（RBW）。

3. 测量执行

• 差模测量：

  1. 注入差模信号，记录通道1（参考信号）和通道2（响应信号）的幅度 Vref 和 Vresp。

  2. 测量两信号的相位差 ϕ。

  3. 计算差模阻抗：

其中 $ Z_{0} $ 为信号源内阻（通常为50Ω），若信号源为理想电压源（内阻趋近于0），需在信号源输出端串联已知电阻 $ R $，则公式修正为：

• 共模测量：

  1. 注入共模信号，记录通道1（参考信号）和通道2（响应信号）的幅度 Vref 和 Vresp。

  2. 测量两信号的相位差 ϕ。

  3. 计算共模阻抗：

若信号源内阻为0且串联电阻 $ R $，则公式修正为：

（乘以2是因为共模信号同时作用于两条线，等效阻抗为单条线对地阻抗的两倍）

4. 频域扫描（可选）

• 若需测量阻抗随频率的变化，可设置信号发生器进行扫频（如从1kHz到1MHz，步进1kHz）。
• 记录每个频率点的幅度和相位差，计算对应阻抗，绘制阻抗-频率曲线。

三、结果分析与注意事项

1. 结果分析

• 差模阻抗：
  • 低频段：主要由电源输入端的电解电容决定，阻抗较低且随频率升高而上升。
  • 高频段：受PCB布局、寄生电感影响，阻抗可能出现谐振峰。
• 共模阻抗：
  • 低频段：主要由Y电容（线对地电容）决定，阻抗较低。
  • 高频段：受共模电感（如磁珠）影响，阻抗显著升高。

2. 注意事项

• 信号源内阻：
  • 若信号源内阻不为50Ω，需在公式中修正或串联已知电阻 R 以简化计算。
• 接地回路：
  • 共模测量时，确保信号源、示波器和电源的接地良好，避免接地回路引入误差。
• 探头负载效应：
  • 高衰减比探头（如10:1）可能改变被测电路阻抗，优先使用低负载探头（如1:1）或差分探头。
• 安全操作：
  • 测量高压直流电源时，需佩戴绝缘手套，遵守高压安全规范。
  • 避免信号幅度过大损坏电源输入端电路。
• 校准：
  • 测量前用已知阻抗（如50Ω电阻）校准系统，确保测量准确性。

四、简化方案（无信号发生器时）

若示波器自带信号发生功能（如R&S RTO系列），可直接生成正弦波信号并注入被测电路，简化操作步骤：

1. 使用示波器的“信号发生器”功能输出正弦波。
2. 按上述方法连接并配置示波器。
3. 通过“测量”或“数学运算”功能直接计算幅度比和相位差，自动显示阻抗值。

五、示例计算

假设信号源输出幅度 Vref=1Vpp，串联电阻 R=50Ω，测量得到：

• 差模测量：Vresp=0.5Vpp，相位差 ϕ=0°。

• 共模测量：Vresp=0.2Vpp，相位差 ϕ=0°。

通过以上步骤，可准确测量双向直流电源的差模与共模阻抗，为EMC设计和故障排查提供依据。