本實用新型涉及電工技術(shù)的電子測量儀器領(lǐng)域，特別是涉及一種具有安全保護電路的示波器。

背景技術(shù)：

圖1為傳統(tǒng)示波器的地環(huán)路示意圖。大多數(shù)傳統(tǒng)示波器是直接接保護地（即接地）的，如圖1中第一路徑A所示。被測設(shè)備也是有可能接保護地的，如圖1中第二路徑B所示。在實際測量操作當(dāng)中，探頭接地線必然會將示波器的地電位與被測設(shè)備的地電位連接到一起，如圖1中第三路徑C所示，這樣就出現(xiàn)了接地環(huán)路。

如果這個環(huán)路所在的周圍環(huán)境當(dāng)中存在變化的磁場，接地環(huán)路中就會出現(xiàn)環(huán)路電流。環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內(nèi)部任何阻抗中積聚電壓。這樣，在任意一個時間點上，環(huán)路當(dāng)中的各個節(jié)點都不會處于相同的AC電位。這種電位差有可能只有幾微伏，也有可能高達(dá)幾百毫伏。

對于便攜式平板示波器，如果采用外置的接保護地的電源適配器來為示波器供電，也會形成地環(huán)路，而且，此時地環(huán)路所引發(fā)的問題會更加明顯。圖2為采用外置的接保護地的電源適配器供電的便攜式平板示波器的地環(huán)路示意圖。正常情況下，外置電源適配器輸出到示波器的供電電流，是需要沿著圖2中第四路徑D和第一路徑A返回到保護地的。對于存在地環(huán)路的示波器，給示波器供電的返回電流不一定全部沿著第四路徑D和第一路徑A返回到保護地，其中一部分返回電流沿著探頭連接地線從被測設(shè)備返回到保護地，也就是說，其中一部分返回電流沿著圖2中第三路徑C和第二路徑B返回到保護地。由于便攜式平板示波器的供電電壓通常只有12V，供電電流通?？梢赃_(dá)到1安培的量級。這么大的返回電流，即使只有一部分從探頭連接地線上經(jīng)由被測設(shè)備返回到保護地，也足以導(dǎo)致探頭連接地線上存在幾十毫伏到幾百毫伏的電位差。而且，示波器的工作電流通常是變化的，因此，探頭連接地線上的返回電流也是變化的，繼而導(dǎo)致探頭連接地線上的電位差也在不斷地變化之中。

對于那些傳統(tǒng)的接地示波器，供電電壓通常是220V，因此供電電流會小很多，從探頭連接地線上經(jīng)由被測設(shè)備返回到保護地的返回電流也會小很多。雖然很小，可畢竟還是存在的，這個返回電流也是不斷變化的。另外，如果被測設(shè)備也是采用外置的接保護地的電源適配器供電，給被測設(shè)備供電的返回電流也不一定沿著被測設(shè)備原路返回，有相當(dāng)一部分返回電流會從探頭連接地線上經(jīng)由傳統(tǒng)接地示波器返回到保護地。因此，采用傳統(tǒng)接地示波器測量這樣的被測設(shè)備，其測量誤差也會更加明顯。

由于探頭連接地線上的電位差的存在，示波器輸入BNC連接器上的地電位與被測設(shè)備中的地電位并不相同，由于示波器是以輸入BNC連接器上的地電位為參考的，因此示波器屏幕上顯示的波形可能并不表示被測設(shè)備上的實際信號。隨著被測信號的幅度降低，這種誤差會變得愈加明顯。

為了克服地環(huán)路的問題，最顯而易見的解決方案應(yīng)該是，去掉三線插頭的接地端或使用隔離電源適配器。將示波器從保護地線浮動起來，以減小地環(huán)路的影響。這種解決方案雖然簡單方便，可這是不安全的測量方法。如果某一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓上，那么整個示波器的機殼，包括所有的接插件，比如說，模擬輸入BNC連接器或者USB接口，都會帶有相同的高電壓。人體觸摸到外露的金屬接插件，都有可能會觸電，帶來人身傷害。另外，電源適配器的變壓器上會累積過高的應(yīng)力電壓，這種應(yīng)力電壓可能不會立即導(dǎo)致故障，但即使示波器恢復(fù)到正常接地狀態(tài)，將來仍可能會發(fā)生危險故障。另外，還有一種情況值得一提，如果示波器通過USB接口連接到臺式機電腦，臺式機電腦通常是連接到保護地的，那么此時的示波器還是通過USB連接線和臺式機電腦連接到了保護地，地環(huán)路在無意之中又形成了。可見，這種解決方案，不但不安全，也不可靠，并不能保證地環(huán)路始終是斷開的。

為了克服傳統(tǒng)示波器，尤其是便攜式平板示波器，地環(huán)路的問題?？赡艿慕鉀Q方案還有以下四種。

解決地環(huán)路問題的第一種傳統(tǒng)解決方案是，使用差分探頭。這種解決方案的缺點是，探頭仍有一條到接地的電阻路徑，因此如果電路對泄漏電流靈敏，那么差分探頭可能并不是最佳的解決方案。另外差分探頭通常價格較高，增加了一筆不小的成本，具體視示波器功能，還可能要求獨立的電源，這又增加了成本和體積。在出廠時，還必須手動確定每種測量的增益和偏置特點。另外，差分探頭的帶寬通常比較低，在很多的場合，差分探頭的帶寬都是不夠的。

解決地環(huán)路問題的第二種傳統(tǒng)解決方案是，使用隔離通道示波器。隔離通道示波器也有兩種實現(xiàn)方案。一種方案是在每個模擬前端當(dāng)中分別放置一個模擬的隔離放大器。這種方案的缺點是，模擬隔離放大器的線性度和頻帶特性都比較差，而且成本高。另外一種方案是，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器及采樣存儲模塊的后面放置數(shù)字隔離器。不過，為了讓兩個模擬通道之間也電氣隔離，在每個通道的模擬前端之后，都需要添加一套模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采樣存儲模塊和數(shù)字隔離器。為了讓兩個通道之間能夠同步信號采集，可能在兩個通道之間還需要再增加一套數(shù)字隔離器。這種方案的優(yōu)點是，沒有模擬隔離放大器的線性度和頻帶特性的問題。缺點是，成本高，實現(xiàn)起來太復(fù)雜?？傊瑯?biāo)準(zhǔn)的隔離通道示波器，實現(xiàn)起來總是很復(fù)雜的，而且成本高。采用隔離通道示波器的方案來解決地環(huán)路的問題，顯得過于復(fù)雜化，成本過高。何況，我們的目標(biāo)并不是要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的隔離通道示波器，我們只是要把示波器的地環(huán)路斷開。

解決地環(huán)路問題的第三種傳統(tǒng)解決方案是，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器及采樣存儲模塊的后面，采用數(shù)字隔離器來隔離地環(huán)路。在此，以兩通道示波器為例。圖3為這個方案的原理框圖。與第二種傳統(tǒng)解決方案不同的是，兩個模擬通道之間不是電氣隔離的。數(shù)字隔離器實現(xiàn)了左右兩端數(shù)字信號的電氣隔離。這種解決方案的優(yōu)點是，不需要在傳統(tǒng)示波器的基礎(chǔ)上再額外添加一套模數(shù)轉(zhuǎn)換器及采樣存儲模塊，只需要添加一套數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離器是比較成熟的技術(shù)，成本低，易于實現(xiàn)，也不存在模擬隔離放大器的線性度和頻帶特性差的問題。

地環(huán)路被隔離開之后，示波器的主控制板供電，完全可以采用已經(jīng)連接到保護地的電源適配器，也不會有地環(huán)路的存在。給示波器供電的返回電流，只能沿著電源適配器原路返回，因為通往探頭接地線的路徑已經(jīng)被切斷了，探頭接地線上不會有電流流過。因此，采用這樣的示波器測量低頻小信號，其測量結(jié)果會更加準(zhǔn)確。即使某一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓，示波器外殼和示波器主控制板上的接插件，都不會帶有高電壓，因為此時波器主控制板已經(jīng)接到了保護地。

綜上所述，第三種傳統(tǒng)解決方案是一種簡單有效的地環(huán)路隔離方案。可是這種解決方案，仍然是有缺點的。雖然示波器主控制板上的外露金屬接插件都不會帶有高電壓，可是，由于兩個模擬通道之間不是電氣隔離的，兩個通道的模擬輸入BNC連接器，仍然是共地的，而且都是浮地的。

兩個模擬通道與示波器主控制板電氣隔離之后，兩個模擬通道浮地而且共地，會發(fā)生兩種可能的風(fēng)險。

第一種可能的風(fēng)險，如果兩個通道的探頭接地夾分別連接到了不同的浮地電壓上面，可能會造成被測設(shè)備的短路。

第二種可能的風(fēng)險，如果其中一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓上，則另外一個模擬通道的輸入BNC連接器上也會帶有相同的高電壓。這時，人體觸摸到另外一個模擬通道的輸入BNC連接器，有可能會觸電，可能會帶來人身傷害。

解決地環(huán)路問題的第四種傳統(tǒng)解決方案是，將傳統(tǒng)示波器采用電池供電。采用電池供電，確實能夠有效地將地環(huán)路隔離開。不過，這時兩個模擬通道仍然是浮地而且共地的，既然是“浮地而且共地”，那就同樣會存在第三種傳統(tǒng)解決方案的兩種可能的風(fēng)險。

事實上，這種方案還沒有第三種傳統(tǒng)解決方案安全可靠。電池供電的傳統(tǒng)示波器，一旦某一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓，整個示波器外殼和所有外露的金屬接插件，都會帶有相同的高電壓。相比之下，第三種傳統(tǒng)解決方案采用數(shù)字隔離器來隔離地環(huán)路，如果某一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓，只有另外一個模擬通道的輸入BNC連接器上會帶有相同的高電壓，示波器外殼和其余的金屬接插件，是沒有高電壓的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有安全保護電路的示波器，其為了克服兩個模擬通道浮地而且共地所帶來的可能的風(fēng)險，為示波器添加安全保護電路，在最大程度上，盡量降低可能的風(fēng)險。

本實用新型是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種具有安全保護電路的示波器，其特征在于，其包括相互連接的限流裝置、開關(guān)裝置、電位差檢測及開關(guān)控制裝置，限流裝置由第一電阻和第一電容并聯(lián)組成；開關(guān)裝置由繼電器、第八電阻、第九電阻、第四晶體管組成，第八電阻、第九電阻分別與繼電器的兩端串聯(lián)，第四晶體管的發(fā)射極接地，第四晶體管的基極與第八電阻串聯(lián)；電位差檢測及開關(guān)控制裝置由第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管組成，第二電阻和第三電阻串聯(lián)，然后串接在示波器兩個輸入BNC連接器的接地端，用于檢測兩個輸入BNC連接器的接地端的電位差；第一晶體管的發(fā)射極與第二晶體管的發(fā)射極連接，第一晶體管的集電極、第三晶體管的集電極都與第四電阻連接，第二晶體管的集電極、第六電阻都與第五電阻連接，第三晶體管的發(fā)射極與第七電阻連接，第六電阻與第三晶體管的基極連接。

優(yōu)選地，所述第一電阻的典型值為2K歐姆，第一電容的典型值為1μF。

優(yōu)選地，所述第四電阻的典型值為196K歐姆，第五電阻、第六電阻、第八電阻的典型值都為20K歐姆，第七電阻的典型值為10K歐姆，第九電阻的典型值為499歐姆。

優(yōu)選地，所述第一晶體管、第三晶體管、第四晶體管都為BC846BW型晶體管，第二晶體管為BC856BW型晶體管。

本實用新型的積極進步效果在于：針對示波器兩個模擬通道浮地而且共地可能帶來的風(fēng)險，在示波器內(nèi)部添加了安全保護電路，不但降低了被測設(shè)備短路的風(fēng)險，而且還大大降低了人體觸電的風(fēng)險。在最大程度上，保護設(shè)備和人身安全。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)示波器的地環(huán)路示意圖；

圖2為采用外置的接保護地的電源適配器供電的便攜式平板示波器的地環(huán)路示意圖；

圖3為解決地環(huán)路問題的第三種傳統(tǒng)解決方案的原理框圖；

圖4為本實用新型提供的安全保護電路的框架示意圖；

圖5為本實用新型提供的安全保護電路的具體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本實用新型提供的安全保護電路與解決地環(huán)路問題的第三種傳統(tǒng)解決方案結(jié)合之后的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

圖5為本實用新型提供的安全保護電路的結(jié)構(gòu)圖。如圖4至圖6所示，本實用新型具有安全保護電路的示波器包括相互連接的限流裝置11、開關(guān)裝置12、電位差檢測及開關(guān)控制裝置13，限流裝置11由第一電阻R1和第一電容C1并聯(lián)組成；開關(guān)裝置12由繼電器RL1、第八電阻R8、第九電阻R9、第四晶體管Q4組成，第八電阻R8、第九電阻R9分別與繼電器RL1的兩端串聯(lián)，第四晶體管Q4的發(fā)射極接地，第四晶體管Q4的基極與第八電阻R8串聯(lián)；電位差檢測及開關(guān)控制裝置13由第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、第三晶體管Q3組成，第二電阻R2和第三電阻R3串聯(lián)，然后串接在示波器兩個輸入BNC連接器的接地端，用于檢測兩個輸入BNC連接器的接地端的電位差；第一晶體管Q1的發(fā)射極與第二晶體管Q2的發(fā)射極連接，第一晶體管Q1的集電極、第三晶體管Q3的集電極都與第四電阻R4連接，第二晶體管Q2的集電極、第六電阻R6都與第五電阻R5連接，第三晶體管Q3的發(fā)射極與第七電阻R7連接，第六電阻R6與第三晶體管Q3的基極連接。

本實用新型由第二電阻R2和第三電阻R3去檢測兩個通道輸入BNC連接器的接地端的電位差，然后根據(jù)這個電位差去控制繼電器RL1的斷開和閉合。

兩個模擬通道是共地的，我們統(tǒng)稱其為示波器模擬地。在圖5中，第一通道1的輸入連接器BNC1的接地端，直接連接到示波器模擬地。第二通道2的輸入連接器BNC2的接地端，并沒有直接連接到示波器模擬地，而是先通過第一電阻R1、第一電容C1和一個繼電器RL1，然后再連接到示波器模擬地。

正常情況下，兩個通道的探頭接地夾需要連接到被測設(shè)備的相同電壓上面，這時，第二電阻R2和第三電阻R3上面沒有電流流過。第三電阻R3上面沒有電壓差。第一晶體管Q1、第二晶體管Q2和第三晶體管Q3都是截止的。第四晶體管Q4是導(dǎo)通的。因此，繼電器RL1是閉合的，第二通道2的輸入連接器BNC2的接地端就通過第一電阻R1和第一電容C1直接連接到了示波器的模擬地。在本實用新型中，R1=2K歐姆，C1=1μF，而典型的示波器輸入電阻是1M歐姆，輸入電容是15pF~20pF，因此，第一電阻R1和第一電容C1引入的測量誤差小于等于0.2%。

如果第二通道2的探頭接地夾電壓大于第一通道1的探頭接地夾電壓，第二電阻R2和第三電阻R3上面會有電流流過，當(dāng)?shù)谌娮鑂3上的壓降大于第一晶體管Q1的導(dǎo)通電壓，通常是0.7V左右，第一晶體管Q1就會導(dǎo)通，第一晶體管Q1的集電極電壓降低，使第四晶體管Q4的基極電壓降低，導(dǎo)致第四晶體管Q4截止。這時，繼電器RL1就會斷開。

如果第二通道2的探頭接地夾電壓小于第一通道1的探頭接地夾電壓，第二電阻R2和第三電阻R3上面也會有電流流過，只是電流方向與前面一種情況相反，當(dāng)?shù)谌娮鑂3上的壓降大于第二晶體管Q2的導(dǎo)通電壓，通常是0.7V左右，第二晶體管Q2就會導(dǎo)通，在第五電阻R5形成電壓差，這個電壓差可以使第三晶體管Q3導(dǎo)通，第三晶體管Q3的集電極電壓降低，使第四晶體管Q4的基極電壓降低，導(dǎo)致第四晶體管Q4截止。

在本實用新型中，R2=91K，R3=36K，只要兩個通道的探頭接地夾的電壓差超過2.5V，電阻R3上的壓降就可以達(dá)到0.7V，這時，第一晶體管Q1或者第二晶體管Q2就能夠?qū)ā＿@就是說，只要兩個通道的探頭接地夾的電壓差超過2.5V，繼電器RL1就會斷開。如果兩個通道的探頭接地夾上面有電壓差，可是電壓差不超過2.5V，繼電器RL1會保持閉合。這時第一電阻R1和第一電容C1就起作用了，第一電阻R1和第一電容C1會將兩個通道的探頭接地夾之間的電流限制在一個安全的范圍內(nèi)。在最大程度上，降低被測設(shè)備短路的風(fēng)險。

再考慮另外一種可能的風(fēng)險。如果其中一個模擬通道的探頭接地夾接到了高電壓上，則另外一個模擬通道的輸入BNC連接器上也會帶有相同的高電壓，如果人體觸摸到另外一個模擬通道的輸入BNC連接器，第一電阻R1和第一電容C1上面就會有電流流過，在第一電阻R1和第一電容C1上面產(chǎn)生電位差，這個電位差同時也會施加到第二電阻R2和第三電阻R3，第二電阻R2和第三電阻R3就會有電流流過。前面的分析表明，只要兩個通道的探頭接地夾的電壓差超過2.5V，繼電器RL1就會斷開，從而大大降低可能的觸電風(fēng)險，在最大程度上，保護人身安全。

第一電阻R1和第一電容C1并聯(lián)的阻抗值越大，安全保護的等級就越高，被測設(shè)備短路的風(fēng)險越小，人體觸電的風(fēng)險也越小。不過，安全保護的等級越高，第一電阻R1和第一電容C1引入的測量誤差也就越大。本實用新型推薦的取值為，第一電阻R1的典型值為2K歐姆，第一電容C1的典型值為1μF。這時，第一電阻R1和第一電容C1引入的測量誤差小于等于0.2%。第一電阻R1和第一電容C1的具體的取值，可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同和安全等級要求的不同，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

在本實用新型中，第二電阻R2和第三電阻R3用來檢測兩個通道的探頭接地夾之間的電壓差。通常情況下，第三電阻R3兩端的電位差大于0.7V，繼電器RL1就會斷開。因此，第二電阻R2和第三電阻R3的比例關(guān)系，決定了何時將繼電器RL1斷開。本實用新型推薦的取值為，R2=91K，R3=36K。這時，只要兩個通道的探頭接地夾的電壓差超過2.5V，繼電器RL1就會斷開。第二電阻R2和第三電阻R3的具體取值，也可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同和安全等級要求的不同，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

第四電阻R4的典型值為196K歐姆，第五電阻R5、第六電阻R6、第八電阻R8的典型值都為20K歐姆，第七電阻R7的典型值為10K歐姆，第九電阻R9的典型值為499歐姆。

第一晶體管Q1、第三晶體管Q3、第四晶體管Q4都可以選擇BC846BW型晶體管，也可以選擇類似的NPN型晶體管。還可以選擇N溝道JFET或者MOSFET，然后稍加修改，就可以應(yīng)用在本實用新型的安全保護電路；第二晶體管Q2可以選擇BC856BW型晶體管，也可以選擇類似的PNP型晶體管，還可以選擇P溝道JFET或者MOSFET，然后稍加修改，就可以應(yīng)用在本實用新型的安全保護電路；繼電器RL1可以選擇Panasonic公司的TX2-5V，也可以選擇其它的具有開關(guān)功能的電子元器件，然后稍加修改，就可以應(yīng)用在本實用新型的安全保護電路。

數(shù)字隔離器可以采用ADI公司的四通道數(shù)字隔離器ADUM1401BRWZ，也可以采用TI公司的ISO7241CQDWRQ1，也可以選擇其它的具有電氣隔離功能的電子元器件，然后稍加修改，就可以應(yīng)用在本實用新型的安全保護電路。

本實用新型涉及一種具有安全保護電路的示波器。為了解決示波器地環(huán)路的問題，需要采用數(shù)字隔離器把兩個模擬通道與示波器主控制板隔離開?？墒?，兩個模擬通道之間沒有實現(xiàn)電氣隔離。兩個模擬通道是浮地的，而且共地的，可能會造成被測設(shè)備短路，或者人體觸電。本實用新型提供了一種安全保護電路，不但降低了被測設(shè)備短路的風(fēng)險，而且還大大降低了人體觸電的風(fēng)險。在最大程度上，保護設(shè)備和人身安全。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。