示波器测试电源技术重大突破

一、技术背景

目前，在世界范围内针对电力电子科学理论教育、科研、电能质量、电子产品开发、质量检测、维修的各种技术环节均大量使用示波器测量电路电压时间特性曲线。通过观察线路关键节点的电压电流波形可以直观地检查线路工作是否正常，验证设计是否恰当，这对于提高电路可靠性有着极大的帮助。

示波器是测量仪器中最为基础与重要的仪器。几乎所有电力、电子工程师都是根据示波器说明书的波形测量方式来判断；或是利用一些工作积累的经验来进行电路电压特性的测量，来观察、解释电路实际工作的原理、功能。

与此同时却有个非常难以解释的现象：一台合格的模拟、数字示波器在测试普通的工频、脉冲、函数电信号等波形时，测试效果都比较理想，一致性也很好。但应用到电力网络的测量时，因被测电路会受到不同级别的信号噪音、谐波、闪变及负荷工作特性的特殊纹波等复合信号的影响，所以无论什么级别的数字示波器都很难获取真实的、重现性好的动态电压变化特征曲线。特别在测量二次电源电压特性方面，测量的波形模糊不清、电信号定位、再现性都很差。

对于此种长期而又普遍存在的示波器使用缺陷，有的专家观点是：示波器探头的分布电容太大因而影响显示效果；有的观点认为：由于许多电源的工作特性其电信号接近噪声，需要更高分辨率的示波器或特殊探头配合使用才能清晰的显示电压特性曲线，而现阶段只有期待提高示波器配置性能和工程师实际工作经验才能进行具体分析。

因此对二次电源的电压特性测试目前还没有比较标准的测试方法来判断电源的功率变化特征，因为电源电压动态特性测试无法规范化，各种技术类型二次电源的适用范围不好定性，使用的安全性也是不理想的。据有关统计，电器设备80%故障的发生与电源有关，由此可以证明长期以来因为在科教理论，产品说明书一直依靠一些不清晰的测量参数资料和工程师的工作经验来维持电源的设计、生产检验，这是一种不严谨的科学态度。需要电力电子从业者高度重视二次电压波形测量的技术问题。

二、TDTCT-1A电源电压特性动态测试系统简介

针对数字示波器在常规使用时测量二次电源运行特性电压、电流动态变化曲线显示不清晰的问题，长沙天顶变压器厂技术人员设计了一种全新的数字示波器测量技术解决方案，并且研制成功TDTCT-1和TDTCT-1A两种型号的电源特性动态测试系统，TCTDT-1不包含电参数测量、模拟负载电路的简约型，TDTCT-1A电源电压特性动态测试系统则是一种便携式测试系统，包括一台数字示波器和一台含电参数测量、模拟负载电路的辅助机箱，参见图一。

图一

TDTCT-A型电源特性动态测试系统优选了四个测试环节的系统配置。

一、选择了测试功能、灵敏度，精确度合适的数字示波器作为电压、电流波形显示仪器

二、使用多功能真有效值多功能电参数测量仪用作电量参数的测量

三、配置恰当的大功率低阻抗电流波采样器

四、选优多档R、RL模拟电路作为电源输出负载。

这样就组成了一个结构简单，功能齐全，操作方便、安全可靠并且实用性很强的便携式电源特性动态测试系统。可以满足工程技术人员测量交流电源、直流恒压、恒流电源、开关电源、变频电源、逆变电源等各种类型二次电源工作时的空载、轻载、满载、临界保护状态的综合电量参数指标；一次电源输入侧电压、电流波电能量时间分布曲线以及二次电源输出电压、电流波幅变化、开关频率，占空比等电能量时间分布曲线等电源工作的动态特性。

三、TGTDT-1电源电压特性测试与传统测试效果比较

1、示波器常规测试方法及其波形显示效果

现代电工学理论认为：二次电源主要有线性电源和开关电源二大类，输出的直流电压都是一个固定值，由交流电压经整流、滤波、稳压或高频调制后得到。由于滤波不干净，附着于直流电平之上，其包含周期性与随机性成分的杂波信号，因此输出的直流电压中就会含有交流成分。所以在示波器测量任何型号的二次电源时一般都会根据示波器参数设置出现类似图二—图七所示的测量波形，参见图二——图七。这些测试的图片没有清晰的电压曲线轮廓，有的电信号曲线非常平直，有的电信号曲线却是噪音信号特征特别明显，如果改变示波器的扫描时机，从示波器的参数显示栏能够读出快速变化的高频纹波频率值和纹波震幅值。工程师们如果要从这些杂乱无章的、无规律的波形和重现性不好的电压波曲线显示中间说明其准确电压特征，是很困难的。同时这些波形与电源理论研究应有的工作波形不同，也与示波器测试应该达到的测试效果不相符合。

2、TDTCT-1A电源特性动态测试系统测试波形显示效果显示

以下是TDTCT-1A电源特性动态测试系统测量两款高频开关电源与一台恒压、恒流直流电源的电压特征进行动态测试的波形显示，

1）测试开关电源电压波形

参见图八、图九，这款高频开关电源标称开关频率100KHZ,有两组电压输出，在电源输入端与输出端同时接示波器探头进行测试，使用用示波器交、直流档分别显示，从显示屏明确显示空载电压输出频率是4KHZ左右。当以两组电压互为测试端时，显示的波形入图十，图十一所示。两组电压值的幅度比例关系非常清晰。

图十二是一款标称开关频率40KHZ的电源，使用测试系统测试它的空载及带载状态下的频率变化，见图十二、图十三、图十四，空载时的电压频率是1.3KHZ左右，参见图十二，带上不同功率的负载，输出电压的频率变为800HZ和400HZ ,参见图十三，图十四，从显示结果可以说明因为负载变化的原因，开关电源的开关频率也发生变化。

图十五，图十六是利用TDTCT-1A电源特性动态测试系统的输入电压互感器感应测量电流变化的特征与输出端测试的结果是否吻合，参见图十五，图十六，从测试结果分析波形变化曲线与图十二，图十三是非常一致的。

2）示波器测试线性恒压、恒流直流电源电压特性。

1）传统测量方法的测试波形

当前当电气工程师们用示波器测量线性二次电源的电压特性时，示波器显示屏基本都显示一条水平直线表示被测电压的直流电压值，与使用万用表的直流档测量的电压值一致，如图十七、图十八所示。因此基本恒定的电压水平线，被理解为输出恒定不变直流电压。

2）当采用TDTCT-1A电源特性动态测试系统测试测试直流源的电压特性时，能根据直流源的额定电压、电流工率，选择所带负荷量，不会引起电压或电流的突变。

在这种情况下可以保证测量的准确性，以下是用示波器的直流档、交流档分别测量直流电源的电压波形的显示图片，通过分析电压波以及电位变化的显示值。如果示波器选择档位恰当，负载选择合适，都可以看到直流电源输出的交流波形，并不是传统测试的一条直线。

六、TDTCT-A型电源特性动态测试复杂电路电流变化效果

目前当使用示波器测试复杂电路电流变化曲线时，一般使用各种型号的电流探头，这项技术是采用的是电磁感应原理。因为电路电流变化幅度非常大，而探头的量程比较有限，所以一般情况下测试电路的电流变化时，误差极大；而利用TDTCT-A型电源特性动态测试电流变化，由于是采用探头直接在电路采样，使用最灵敏的测试档位，因此任何电流变化的细节都可以清楚在示波器显示屏上面看清楚。参见图二十三，图二十四，图。二十五。这是一个白炽灯与一个节能灯同时照明的线路电流显示图片，当白炽灯额定功率工作时，显示的电流波如图二十三，当用可控硅调白炽灯功率为额定的二分之一时，电流变化显示为图二十四，，当用可控硅调白炽灯功率为额定的四分之一时，电流变化显示为图二十五。图二十六是一盏电子荧光灯的输出母线上的电流变化显示图片，显示的电流变化曲线也非常清晰。

七、结论

通过以上使用数字示波器测量开关电源、直流电源的输出动态电压特性的波形展示的时间曲线显示图片，通过分析这些电压波显示图片，基本可以证明开关电源不存在5KHZ以上的开关频率的电源电压调频技术。直流电的概念则是把电路电位的概念来解释电压，是完全不正确的电工理论。

从电压波形显示效果分析，可以很明确示波器在测试时两种方式的测试效果是完全不同的，TDTCT-A型电源特性动态测试系统成功解决了数字示波器在测量各种二次电源电压特性方面存在的缺陷，这项全新的测试技术，将会对正确分析二次电源的实际工作原理、直流电的真实性提出挑战。