示波器作為一種關(guān)鍵的測試儀器，廣泛應(yīng)用于電路信號的觀測與分析。然而，在使用示波器測量電路波形時，接地環(huán)節(jié)至關(guān)重要卻常被忽視。若接地操作不當(dāng)，如將示波器探頭接地夾子誤接至錯誤位置，極有可能引發(fā)接地電流過大，導(dǎo)致跳閘事故，甚至造成示波器的損壞。

一、示波器接地的作用

1、提供電壓參考

接地是所有電壓測量的參考點，它確保電路中有一個已知的0V電壓點，這對于精確測量電壓至關(guān)重要，因為在測量信號電壓時，實際測量的是信號端至接地參考點之間的電位差。

2、保障人員與設(shè)備安全

以臺式示波器為例，其電源線為三角插座。眾所周知，電源線的第三個角就是與地線相連，那么臺式示波器的地也是與市電的地相連的，臺式示波器是接地的，同時示波器的外殼也是接地的，因此能夠防止因為漏電流導(dǎo)致外殼帶電對使用者帶來觸電的風(fēng)險。

3、減少噪聲干擾

良好的接地能夠減少環(huán)境噪聲對測量信號的影響。電磁輻射、其他電路元件噪聲等可能會疊加在信號上，造成波形抖動、失真或雜波過多，而良好的接地能夠為這些噪聲提供低阻抗的泄放路徑，使其能夠順利地流入大地，從而有效減少噪聲對測量信號的干擾。

二、接地的概念

接地是指與大地的物理連接，通常我們使用接入地線來實現(xiàn)，良好的接地可以提供安全的電流流經(jīng)路徑。

信號地是指待測電路中所有信號電平電壓的參考點，所有的信號測量都會基于信號地來測量。信號地可以與大地相連，也可以不連接到大地，在某些應(yīng)用中，信號地就會與大地隔離。穩(wěn)定的信號接地可以確保采集的信號不會受到參考電平波形而影響。

機殼接地通常是指連接到示波器的外殼，這種外殼通常會通過底座接地，保護(hù)示波器不受外界的電磁影響，也能接地提供良好的安全措施。

三、接地的原理圖

對于示波器而言，接地是指將待測設(shè)備的負(fù)極、探頭的接地夾，以及示波器的接地端，連接到地線。當(dāng)探頭的接地夾子接上待測電路的地時，這樣示波器內(nèi)部的接地端和待測設(shè)備的地形成了一個系統(tǒng)。

在任何的電氣測量中，都需要一個參考點來了解電壓水平。當(dāng)測量一個信號的電壓時，其實測量的是信號端至接地參考點之間的電位差，良好的接地，可以保證準(zhǔn)確測量電壓。

圖1 示波器探頭待測信號接地示意圖

四、接地不當(dāng)?shù)膯栴}

1、電流過大引發(fā)跳閘或設(shè)備損壞

如果示波器的探頭接地夾子接上了非真實的接地點將會帶來嚴(yán)重的影響。例如探頭的夾子接上了帶有電位差的信號，接在了零線或者火線，那么就會引入電流到示波器，導(dǎo)致電流過大跳閘或者燒壞示波器。這種情況是新手工程師們測試市電最容易犯的錯誤。

2、信號雜波與失真影響測量結(jié)果

良好的接地可以減少環(huán)境噪聲。例如電磁輻射，其他電路元件噪聲，會疊加在信號上，造成波形抖動、失真或雜波過多影響。下圖就是一張典型的地線噪聲過大引起的信號出現(xiàn)雜波。

圖2 地線不干凈引起的信號雜波

另外在使用示波器測量時，地線不干凈或者有輻射干擾也是一種常見的問題，下圖是一個標(biāo)準(zhǔn)的工頻干擾測試圖。50Hz工頻干擾是由電力系統(tǒng)引起的50Hz的正弦波干擾。工頻干擾可能是是由于探頭的饋線作為天線接受和傳導(dǎo)工頻電磁波中的干擾信號，也有可能是接地環(huán)路經(jīng)過空間輻射耦合回來的干擾信號，也有可能是通過電源線傳導(dǎo)至示波器的干擾。

圖3 工頻干擾

工頻干擾通常會對阻抗很高的設(shè)備測量時，工頻干擾就會產(chǎn)生較大的影響；使用示波器一般測試的是高頻低阻的設(shè)備，一般不會反映出工頻干擾的影響。那么為了避免出現(xiàn)工頻干擾，首先需要良好的接地，其次是需要減少接地環(huán)路，或者關(guān)掉其他的用電設(shè)備，換一個環(huán)境進(jìn)行測試，以及使用濾波器或者隔離變壓器來解決。

3、浮地測量危害

有些用戶會選擇浮地測量，來應(yīng)對地線不干凈的情況，但是浮地測量是正確的嗎？為了使示波器浮地，用戶切斷了電源線上的接地線。每個示波器制造商都會在其使用手冊中警告用戶不要這樣做。如果連接到探頭 “接地 ”引線的參考電壓足夠高，那么如果用戶接觸到示波器的任何導(dǎo)電表面，包括其他探頭的接地引線，就會有嚴(yán)重的觸電危險。不僅如此，浮地測量還會損壞待測設(shè)備，導(dǎo)致測量精度差等影響。

圖4 浮地測量

五、不接地線對測試信號的精度和幅值的影響

下圖是使用一個25MHz的正弦波進(jìn)行測試，測量到峰峰值為477mV，峰峰值標(biāo)準(zhǔn)差為1mV，此時測到峰峰值相對較為穩(wěn)定。當(dāng)我們?nèi)∠陆拥貖A時，會發(fā)現(xiàn)此時測到的信號峰峰值為236mV，峰峰值標(biāo)準(zhǔn)差為1.19mV。相對來講，取下接地夾后，待測信號的峰峰值會下降，信號的穩(wěn)定度也在下降，信號的形狀和頻率沒有大變化。那么是什么導(dǎo)致了這個情況呢？

圖5 良好接地

圖6 斷開接地線

可以看見下圖的超簡易版示波器測試待測物的電路圖，當(dāng)接上接地夾時，探頭連接的是待測件兩端電阻的電壓差。但是當(dāng)我們斷開接地夾時，示波器此時測到的是被測件的正極和地線之間的電壓差。地線上的電阻此時不能被我們忽略，此時我們測到的不是正確的信號電壓值。

圖7 示波器測試被測件的超簡略版電路圖

六、正確的接地方法

通常使用示波器接地，會使用探頭的接地夾，或者接地彈簧來接地。接地夾一般是探頭的配件，夾子形狀，用來接到信號的地線。

圖8 探頭信號的電流回路

接地引線是有感抗分量的，隨著接地引線越長，電感值會越大，會增加諧振效應(yīng)。探頭的地線越短越好，地線和信號線之間的環(huán)路面積越大，輻射帶來的影響越大。圖片上顯示了不同長度的地線對測量帶來的影響，這種影響對于峰峰值的測量動輒帶來10%以上的誤差。 

圖9 接地引線帶來的影響

還有一些工程師們在測試多路信號時，只接了一個信號的地，另外幾路信號的接地夾被懸空了，此時多路信號將會共用這一個電流回流的接地通路。當(dāng)多個電流流經(jīng)這個回路時，將會產(chǎn)生較大的接地共模電感，導(dǎo)致測試信號不正確。

為了降低諧振效應(yīng)的影響，降低寄生電容，我們通常會使用接地彈簧。這個接地彈簧在探頭包配件中，取下探頭的帽子，將接地彈簧接上探頭前端。一般接地彈簧會使用在測試類似PCB板的各種器件非常密集的環(huán)境中。同樣也會使用接地彈簧來測試電源的紋波。

圖10 使用接地彈簧

七、在地線不干凈時的應(yīng)對策略

使用隔離示波器，例如手持示波表就是隔離的，與地線隔離，它不接地。可以使用隔離示波表來測試浮地信號。

對于臺式示波器，通常我們可以使用隔離變壓器將示波器與地線隔離，也就是使信號地和接地線隔離，此時我們就可以使用無源探頭來測試隔離的信號了。例如測試220V的市電，可以將無源探頭的信號端接上火線，接地夾子接上零線進(jìn)行測量。（普通無隔離的示波器接地夾子必須要接上地線，不能接上零線或者火線哦）

使用差分探頭：差分探頭不需要直接接地，就可以直接測試電路中兩點之間的電壓差。通常使用在建立公共地有困難時使用。差分探頭還可以濾除共模噪聲，有效的降低信號的失真程度。對于差分探頭，也需要盡量將探頭的正、負(fù)線纜耦合到一起，使得探頭正、負(fù)線纜受到平衡的空間輻射，以利于共模噪聲的消除。