36з. Гальваническая развязка при измерениях: земля осциллографа, изолированные каналы, дифференциальный щуп

В 36а.5 сказано коротко: «крокодил» щупа соединён с корпусом осциллографа, а корпус — с защитной землёй розетки, поэтому на точку под напряжением его не цепляют. В 208.7 собран правильный стол для сетевого прибора. Этот раздел отвечает на вопросы, которые возникают сразу после: почему нельзя просто отрезать землю у вилки осциллографа, спасает ли осциллограф на аккумуляторе или от павербанка, как смотреть несколько каналов относительно разных точек, почему разность двух обычных каналов «A − B» врёт и чем на самом деле хорош дифференциальный щуп.

Два слова, без которых дальше не обойтись. Гальваническая развязка — когда между двумя цепями нет проводящего пути: ток постоянный и сетевой через неё не течёт, но ёмкость между цепями остаётся. Синфазное напряжение — общая часть двух входов: если оба провода измерения сидят на 325 В относительно земли, а между собой отличаются на 1 В, то 1 В — разность (полезный сигнал), а 325 В — синфазное. Прибор должен показать разность и не заметить синфазное; насколько хорошо это получается, говорит ослабление синфазного сигнала (CMRR) в децибелах.

Опоры: щуп, его компенсация и земляной провод — 36а.2; земля осциллографа и Y-конденсаторы блока питания — 36а.5; входы и каналы осциллографа — 36г, математика каналов — 36е; ток через тело и разделительный трансформатор — 208.1; стол для сетевого прибора — 208.7; симистор, детектор нуля и фазовое управление — 208б.3–208б.6; ёмкость барьера изоляции — 54.5; разностный усилитель и разброс резисторов — 56.5 и 176.2. Осциллограф автора — RIGOL DHO900, и всё, что сказано о нём, взято из его документов (номера — страницы PDF): руководство пользователя DHO900_UserGuide_EN.pdf — с. 17 (общие правила безопасности, провод земли щупа), с. 19 (категория измерений), с. 28 и 41 (питание 12 В через USB Type-C, клемма заземления на задней панели), с. 277 (комплект поставки); даташит dho900-datasheet.pdf — с. 6 (высоковольтные щупы), с. 10 (вход канала: предельное напряжение, точность усиления, разрешение, «Channel-to-Channel Isolation»), с. 24 (питание). Остальное в разделе — общее для любого осциллографа. Числа раздела — модели ngspice и расчёт в контейнере stm-lab:1 (_verify/iso36z/run36z.sh). Категории измерений — по стандартам IEC 61010 и IEC 60664-1, которых в проекте нет: их цифры не сверены с текстом стандарта (см. подпись в конце).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
protective earth (PE), safety ground	защитная земля: третья жила розетки
floating measurement	плавающее измерение: опорная точка не на земле
isolated channels, channel-to-channel isolation	изолированные каналы: у каждого своя опора
common-mode voltage	синфазное напряжение
common-mode rejection ratio (CMRR)	ослабление синфазного сигнала
pseudo-differential, math A − B	«дифференциал» вычитанием двух каналов
common-mode transient immunity (CMTI), dV/dt	стойкость к быстрому скачку синфазного
measurement category (CAT II, CAT III, CAT IV)	категория измерений
working voltage to earth	рабочее напряжение относительно земли
Channel-to-Channel Isolation (в даташите)	подавление перекрёстной помехи между каналами, не гальваническая развязка
transient overvoltage, impulse withstand	импульсное перенапряжение, которое прибор должен выдержать

36з.1 Земля осциллографа — это PE, и её не отрезают

Настольный осциллограф с сетевым шнуром — прибор класса I: металлический корпус, внешние кольца всех разъёмов BNC и «крокодилы» всех щупов соединены между собой и с третьей жилой вилки, защитной землёй PE (208.6). Земля здесь не для измерения, а для безопасности: если внутри прибора фаза пробьёт на корпус, ток уйдёт в PE и выбьет автомат, а не в руку.

Отсюда понятна и цена «отрезанной земли». Если вынуть PE — переходником без заземляющего контакта или куском изоленты на штыре, — корпус перестаёт быть привязан к земле, и крокодил щупа действительно можно повесить на любую точку. Но вместе с крокодилом на потенциал этой точки встаёт весь корпус: металл, ручки, кольца всех BNC, крокодилы остальных каналов, экран USB и сетевого разъёма. Если точка — «минус» бестрансформаторного питания или первичка импульсника, на корпусе та же сеть, что на схеме: 230 В действующих, 325 В пика. Кто коснётся корпуса и чего-то заземлённого — радиатора, соседнего прибора, экрана USB компьютера — получит ток, ограниченный только телом: 230 мА через 1 кОм влажных рук (208.1), в семь с лишним раз выше порога фибрилляции. И никакой автомат не сработает: тока «на землю через PE» больше нет, и только УЗО (208.1) могло бы спасти.

Мало того, даже не подключённый ни к чему осциллограф без PE не «ноль»: его собственный блок питания держит корпус через Y-конденсаторы примерно на половине сети — та же картина, что у дешёвого блока в 36а.5 (115 В при сети 230 В). Корпус щиплется, а первое же касание щупом платы разряжает этот потенциал в её вход.

Как это у DHO900. Сетевого шнура у него нет: питание — 12 В, 4 А постоянного тока через разъём USB Type-C от внешнего адаптера из комплекта (руководство, с. 28 и 41). Рядом с подключением питания руководство требует, чтобы прибор был правильно заземлён, а на задней панели есть отдельная клемма заземления — соединить корпус с землёй проводом; провод с банановым штекером входит в стандартный комплект (с. 41 и 277). В общих правилах (с. 17) сказано прямо: провод земли щупа должен быть соединён с землёй, на высокое напряжение его не подключают, иначе опасное напряжение окажется на разъёмах, органах управления и других поверхностях осциллографа. Соединён ли выход адаптера с PE его вилки, документы не говорят. Поэтому для DHO900 PE — это не «не отрезать», а подключить: клемму на задней панели — к защитной земле стола или розетки, и проверить омметром, что корпус BNC и PE розетки действительно соединены.

⚠️ PE у осциллографа не отрезают никогда. Ни переходником, ни «временно», ни «я аккуратно». Измерять под сетью можно, но развязывают не осциллограф, а прибор или канал — способы в 36з.2.

36з.2 Три правильных способа

Задача одна: опорная точка измерения сидит под сетевым потенциалом, а корпус прибора, который трогают руками, должен остаться на земле. Способа три, и у каждого своя цена.

Разделительный трансформатор — то, что описано в 208.1 и 208.7: его вторичка не привязана к земле, и касание одной точки — микроамперы (7,2 мкА через 100 пФ ёмкости обмоток). Но как только крокодил осциллографа сел на испытуемое, эта точка стала землёй, а все остальные — относительно неё. Значит, все крокодилы — только на эту одну точку. И трансформатор должен тянуть нагрузку: нагреватель на 2000 Вт берёт 8,7 А, это трансформатор не меньше чем на 2000 ВА, а не настольная «развязка» на сотню ватт.

Изолированные каналы решают задачу «на месте»: вход канала сам по себе плавает, у каждого канала своя опора. Это лучший вариант, когда каналов несколько и опоры у них разные (36з.4), — но барьер изоляции не идеален, у него есть ёмкость (36з.3).

Дифференциальный щуп не развязывает ничего гальванически: его плечи — это делители на мегаомах, и сквозь них течёт крошечный ток. Но осциллограф остаётся на своей земле, а щуп измеряет разность двух точек, ни одна из которых не обязана быть землёй (208.7). Это самый безопасный и самый универсальный способ, если щуп рассчитан на нужное напряжение и категорию (36з.7).

36з.3 Осциллограф на аккумуляторе и от павербанка

Частый вопрос: портативный осциллограф питается от своего аккумулятора или от павербанка по USB-PD, сети в нём нет, — значит, можно цеплять крокодил куда угодно? Гальванически он и правда плавает: проводящего пути на землю нет. Но три вещи остаются.

Каналы у него общие. Крокодилы всех каналов внутри соединены — это одна «земля» прибора. Плавает весь прибор целиком, но относительно одной точки. Второй крокодил на другой точке схемы — короткое замыкание между этими точками через прибор. Задачу «несколько каналов от разных опор» (36з.4) аккумулятор не решает.

Корпус на потенциале схемы. Крокодил на «минусе» сетевой схемы — и на этом потенциале весь прибор: корпус, кнопки, экранные разъёмы, кабель USB. Это не ёмкостная связь, а провод, и ток через тело ограничен только телом: та же рука на корпусе и вторая на заземлённом — 230 мА (208.1). Держать такой прибор в руках во время измерения нельзя, подключать к нему ноутбук по USB — тоже (USB свяжет сеть с компьютером и с вашей рукой на клавиатуре).

Ёмкость на землю никуда не делась. Корпус прибора, аккумулятор, стол и человек рядом образуют ёмкость на землю — десятки и сотни пикофарад. На 50 Гц через 100 пФ течёт всего 7,2 мкА. Но точка, на которой сидит крокодил, бывает не медленной сетью, а фронтом: симистор открылся на вершине синусоиды — 325 В за единицы микросекунд, ключ импульсника — за десятки наносекунд. Тогда через ёмкость течёт i = C·dV/dt, и течёт он по проводу крокодила. Провод — это индуктивность (150 нГн на 15 см, 36а.2), и падение на ней прибор показывает как сигнал.

DHO900 от павербанка. Среди читателей обсуждали питание DHO900 от павербанка на 65 Вт через USB-C. Что говорят документы: прибору нужно 12 В и 4 А, до 48 Вт со всей нагрузкой на разъёмах (даташит, с. 24), питать его велено адаптером из комплекта (руководство, с. 28). Об USB Power Delivery, павербанках и о том, что за «ключ» в кабеле адаптера, в документах нет ни слова: 65 Вт по мощности больше 48 Вт, но даст ли конкретный павербанк 12 В при 4 А — не проверено. Главное же не в мощности: прибор на павербанке не заземлён, а руководство требует заземления и земли щупа на земле (с. 17 и 28). И его четыре канала по-прежнему соединены через корпус (36з.4).

Модель (float36z.cir): крокодил на точке, которая прыгает на 325 В; остриё на той же точке, так что верный ответ — 0 В. Ёмкость на землю меняется от изолированного канала до павербанка, который в этот момент заряжается от сети через свой зарядник:

.subckt flt src ch c=100p
Rs src ref 1
Lg ref m 150n
Rg m ch 0.05
Cs ch 0 {c}
.ends

Что видно из таблицы. На медленной сети плавающий прибор честен: самая большая крутизна синусоиды 325 В — 0,102 В/мкс, фронт симистора в 3180 раз круче. На фронте же даже изолированный канал с 10 пФ даёт на входе 14,5 В выброса там, где правда — ноль; прибор на аккумуляторе — 24,7 В. Человек у корпуса добавляет свой ток (вдвое больше, 64,4 мА), но через сопротивление тела, поэтому пик почти не меняется. А павербанк, который в этот момент подключён к заряднику, перестаёт быть плавающим: Y-конденсатор зарядника (2,2 нФ, как в 36а.5) привязывает его к сети, и на фронте 50 нс выброс доходит до 191 В — уже не помеха, а импульс, от которого страдает вход.

🔧 Если всё-таки прибор на аккумуляторе. Один канал, один крокодил, и только на ту точку, которая сама не прыгает (общий провод схемы, а не выход ключа). Прибор на изолирующей подставке, руки убраны до включения сети, павербанк отключён от зарядника, USB к компьютеру — никогда. И главное — паспорт прибора: если у его входов нет номинала для плавающих измерений с категорией (36з.7), под сеть его не подключают вовсе.

36з.4 Несколько каналов от разных точек

Здесь два совсем разных случая, и путать их опасно.

Фазы многофазного преобразователя относительно общей точки. Три выхода ключей трёхфазного инвертора, две фазы корректора мощности, четыре фазы питания процессора — все меряются относительно одной общей точки: минуса шины. Крокодилы всех каналов — на эту одну точку, острия — на фазы. Каналам разные опоры не нужны, и обычный осциллограф справляется, если сама общая точка — земля (низковольтная схема) или прибор развязан трансформатором и общая точка стала землёй (36з.2). Правило то же, что в 36а.2: крокодилы короткие и все на одной точке, без петель между ними.

Две гальванически развязанные части. Первичка и вторичка обратноходового источника, верхний ключ полумоста и его драйвер, сетевая и низковольтная сторона оптрона (54.6). Здесь опоры по-настоящему разные, и между ними — барьер изоляции, который как раз и проверяют. Крокодил канала 1 на первичке и крокодил канала 2 на вторичке — это провод через корпус прибора поперёк барьера: изоляция, ради которой рассчитывались миллиметры зазоров (208.3), закорочена осциллографом. Здесь нужны либо изолированные каналы, у каждого своя опора, либо по дифференциальному щупу на каждую сторону. Прибор на аккумуляторе (36з.3) не годится: его каналы общие.

У DHO900 каналы не изолированы. В даташите (с. 10) есть строка «Channel-to-Channel Isolation ≥100:1», и её легко принять за развязку. Это другое: отношение сигнала в своём канале к его просачиванию в соседний, то есть перекрёстная помеха. Гальванической развязки каналов в документах нет нигде; наоборот, руководство (с. 17) требует держать провод земли любого щупа на земле и предупреждает, что напряжение на нём выходит на разъёмы и корпус. Все четыре крокодила DHO900 — один общий провод с корпусом.

36з.5 Два обычных щупа и математика A − B: почему врёт

Соблазн понятен: два канала, оба крокодила на PE и ни один не на схеме, острия на две точки, а на экране — разность каналов, функция математики из 36е. Синфазное напряжение вычтется, останется полезная разность. Это называют псевдодифференциальным измерением, и врёт оно по двум причинам.

Разное усиление. Вычитание точно, только если оба канала усиливают одинаково. Щуп 1:10 — делитель с допуском, у канала свой разброс коэффициента; разница в 1–2 % — обычное дело. У DHO900 точность усиления по постоянному току — ±1 % на чувствительности грубее 5 мВ/дел и ±2 % (типовая) на 5 мВ/дел и чувствительнее (даташит, с. 10): два канала, ушедшие в разные стороны, расходятся до 2 %, это 6,5 В от сети. Тогда от синфазного U на экране остаётся δ·U:

Модель ngspice (pseudo36z.cir, оба острия на синусе 325 В 50 Гц, разности нет) даёт на экране те же 3,25 и 6,50 В. Для сравнения: импульс затвора симистора относительно его вывода MT1 — единицы вольт. Ошибка того же порядка, что и сигнал.

На фронтах хуже: усиление щупа на высокой частоте задаёт уже не делитель на резисторах, а его компенсация (36а.2). Щупы, подстроенные «на глаз» по меандру калибратора, расходятся на десятки процентов. В модели второй щуп подстроен на 12 пФ вместо 11,1 пФ: на фронте он делит 0,1071 вместо 0,1000 — на 7,14 % больше. Фронт 325 В за 1 мкс на обоих остриях даёт на экране A − B выброс 23,1 В, который стекает лишь за сотни микросекунд (через 10 мкс ещё −21,3 В).

Синфазное ограничивает вход. Чтобы вычитание вообще работало, оба канала должны пропустить синфазное без искажений. Чтобы ±325 В влезли в 8 делений экрана, нужно 81,25 В/дел — на практике 100 В/дел. АЦП осциллографа обычно 8-битный: 800 В шкалы на 256 кодов — 3,125 В на код. Импульс в единицы вольт меньше одного кода. У DHO900 АЦП 12-битный на те же 8 делений (даташит, с. 10): 0,195 В на код — импульс уже виден, но ошибка от разброса усиления (вольты) всё равно больше него. Поставить чувствительность выше, например 2 В/дел, нельзя: окно ±8 В, синфазное больше него в 41 раз, входной усилитель уходит в ограничение, и разность двух ограниченных сигналов — мусор, а восстановление усилителя после перегрузки занимает время, которое в паспорте не всегда указано.

⚠️ A − B — не замена дифференциальному щупу. Годится, когда синфазное мало по сравнению с сигналом (сотни милливольт на шунте в низковольтной схеме), и каналы перед этим сверены на одном сигнале. Под сетью оно даёт ошибку размером с сам сигнал — а острия обычных щупов на сетевых точках ещё и требуют номинала щупа (36з.7).

36з.6 Дифференциальный щуп и ёмкость через барьер

Дифференциальный щуп — это два одинаковых делителя (плеча) и вычитатель. Каждое плечо, как щуп 1:10, должно быть скомпенсировано: резистор плеча и его ёмкость. Пока плечи одинаковы, синфазное в них делится одинаково и вычитается. Разница плеч — та же беда, что в 36з.5, только меньше: плечи подогнаны на заводе, а не взяты из двух разных каналов.

Модель (diff36z.cir): деление 1:100, плечо — 4,95 МОм ‖ 1 пФ сверху и 50 кОм ‖ 99 пФ снизу (постоянные времени равны: 4,95 мкс и 4,95 мкс). Второе плечо хуже на два небольших допуска: верхний резистор на 0,01 %, верхняя ёмкость на 0,01 пФ (1 %). Вычитатель в модели идеален — реальный усилитель добавит своё:

На низкой частоте ток плеч идёт через резисторы, и ослабление задаёт их подгонка (0,01 % — 80 дБ). С ростом частоты ток уходит в ёмкости, и главной становится разница ёмкостей: 1 % — 40 дБ. Переход идёт на сотнях герц — килогерцах, потому что ёмкость плеча всего 1 пФ против 4,95 МОм. Отсюда правило: ослабление синфазного в паспорте щупа смотрят на той частоте, где живёт ваш фронт, а не на 50 Гц.

В числах для сети 325 В: на 50 Гц остаток на входе — 32,6 мВ (модель; расчёт по 80 дБ — 32,5 мВ). Фронт 325 В за 1 мкс даёт выброс 2,91 В, за 50 нс — 3,20 В: на фронте работает уже ёмкостной предел 40 дБ (расчёт: 3,25 В). Против 23,1 В у двух щупов из 36з.5 это почти в восемь раз лучше — но не ноль: ступенька в 3 В на экране после каждого открывания симистора — это щуп, а не схема.

Ёмкость через барьер. У изолированного канала и у прибора на аккумуляторе своя слабость, и в 36з.3 она посчитана: ёмкость плавающей части на землю. Через неё на каждом фронте течёт C·dV/dt, и течёт по проводу опоры — даже 10 пФ на фронте 325 В за 50 нс дают 65 мА и 14,5 В выброса на 150 нГн крокодила. Это та же стойкость к синфазному скачку, что у изоляторов сигнала (54.5), только для прибора. Помогает короткая опора (пружинка вместо крокодила — меньше индуктивность), меньшая ёмкость барьера и медленный фронт. У дифференциального щупа опоры-крокодила нет вовсе, и его ток через ёмкости плеч — пикофарады — течёт по входам, а не по общему проводу; поэтому на быстрых фронтах он обычно чище изолированного канала, а на медленных сигналах изолированный канал точнее.

36з.7 Категории CAT и номинал щупа

Напряжение на корпусе щупа — не единственное, что он должен выдержать. В сети бывают короткие выбросы — от молнии, коммутации соседних нагрузок — в тысячи вольт, и чем ближе точка измерения к вводу в здание, тем они сильнее. Поэтому номинал измерительного прибора и щупа пишется парой: категория и напряжение, например «CAT II 300 V».

• CAT II — то, что включается в розетку: бытовые приборы, сетевые блоки питания, инструмент. Отладка сетевого устройства на столе — здесь.
• CAT III — стационарная проводка здания: щиты, автоматы, проводка, стационарные двигатели.
• CAT IV — источник: ввод в здание, счётчик, воздушная линия.
• Цепи, не соединённые с сетью напрямую (вторичка, батарея), раньше обозначали CAT I; в действующей редакции IEC 61010 категории I нет, но маркировка «CAT I» на старых приборах встречается.

DHO900 — только категория I. Руководство (с. 19) прямо разрешает ему измерения лишь в категории I, а даташит (с. 10) ограничивает вход канала 300 В действующих и 400 В пика в категории I, запрещает переходные перенапряжения с щупом и без и отправляет за категориями II–IV к приборам, предназначенным для них. Значит, сам вход DHO900 к сети не подключают даже через щуп 1:10 (при 325 В пика сети на BNC пришло бы 32,5 В — дело не в вольтах, а в категории и в крокодиле на PE). Под сетью он работает только через принадлежность, у которой есть свой номинал CAT II на нужное напряжение, — дифференциальный щуп. В списке принадлежностей даташита (с. 6) у высоковольтных дифференциальных щупов указаны полоса и предельное напряжение, а категория — нет: её смотрят в документации и на корпусе самого щупа.

Напряжение в номинале — рабочее относительно земли, действующее. Сеть 230 В даёт 230 В фазы относительно земли и до 253 В с допуском +10 % — это укладывается в строку «300 V». Импульсы, которые прибор своей категории должен выдержать (по таблице IEC 60664-1; в проекте стандарта нет, цифры не сверены):

Три правила, которые из этого следуют:

• Номинал цепочки — по самому слабому звену. Щуп CAT III 600 V на входе осциллографа CAT II 300 V — это CAT II 300 V. То же для переходников, зажимов и удлинителей щупа.
• У щупа может быть два номинала. Номинал острия и номинал его общего провода относительно земли бывают разными, второй — гораздо меньше. Обычный пассивный щуп осциллографа рассчитан на то, что его крокодил на земле; смотрите маркировку на корпусе и в паспорте.
• Номинал падает с частотой. Допустимое напряжение пассивных щупов и входов задаётся на низкой частоте и снижается на высокой — график в паспорте щупа.

Высокая категория не делает измерение безопасным, если щуп применён не по назначению: крокодил обычного щупа на сетевой точке нарушает сам принцип 36з.1, какой бы номинал ни стоял на острие.

36з.8 Пример: бестрансформаторное питание и симистор нагревателя

Прибор: регулятор нагревателя 2000 Вт. Питание микроконтроллера — бестрансформаторное (гасящий конденсатор или маленький неизолированный импульсник), общий провод схемы соединён с выводом MT1 симистора и с одним из проводов сети. Ноль ловит резисторный детектор на 1 МОм прямо на вывод, симистор открывается импульсом 200 мкс, угол 90° — задержка 5000 мкс от нуля (208б.3–208б.6). Вся плата живёт на сети, изоляции нет нигде.

Сначала — куда смотрит «земля» платы. Розетка с заземляющими контактами по бокам не задаёт, где фаза: вилку можно повернуть. Значит, общий провод схемы в половине включений — нейтраль, в половине — фаза, и считать надо худший случай: 325 В пика относительно PE. Крокодил сетевого осциллографа на этот «минус» — это либо короткое замыкание фазы на PE (сотни ампер, 208.7), либо, если повезло с вилкой, нейтраль на PE мимо УЗО: часть тока нагрузки уходит по PE, и УЗО срабатывает. Ни то, ни другое не измерение.

Шаг 1 — без сети. Всё, что можно, отлаживают на столе от лабораторного источника (208.7): детектор нуля кормят генератором через тот же резистор, импульс затвора смотрят на выводе микроконтроллера обычным щупом — задержка, длительность 200 мкс, устойчивость угла. Отладчик SWD — только в этом режиме.

Шаг 2 — под сетью, дифференциальными щупами. Осциллограф заземлён (у DHO900 — клемма на задней панели к PE, 36з.1), плата — через УЗО, руки — одна. Четыре канала, у каждого свой дифференциальный щуп с номиналом не ниже CAT II 300 V:

Синфазное для каналов 2 и 3 — общий провод платы, то есть сеть 50 Гц: медленная (0,102 В/мкс), и даже 80 дБ ослабления оставляют от неё 32,5 мВ на входе — против импульса затвора в единицы вольт это мелочь. Канал 4 сам видит быстрый фронт (325 В за микросекунды), но это его разность, а не синфазное. Что искать:

• угол — задержка от нуля канала 1 до импульса канала 3; если считать ноль от фронта детектора (канал 2), а не от середины его импульса, угол уезжает (208б.4);
• защёлкивание — на канале 4 после конца импульса затвора напряжение должно остаться около нуля до конца полупериода; если оно вернулось к сетевому — ток нагрузки не дорос до тока включения (208б.3), импульс удлиняют;
• питание — пятый вопрос, для которого нужен ещё один щуп: напряжение питания микроконтроллера относительно общего провода в момент импульса затвора, не проседает ли гасящий источник от тока затвора.

Шаг 2 иначе — разделительный трансформатор. Если дифференциальных щупов нет, плату питают через трансформатор, но нагреватель на 2000 Вт требует трансформатора не меньше чем на 2000 ВА. Подменить нагреватель лампой — значит изменить ток включения симистора, и защёлкивание на лампе ничего не скажет о нагревателе. После трансформатора крокодилы всех каналов — только на общий провод платы (36з.2), а канал 1 (сеть) без дифференциального щупа тогда не посмотреть.

⚠️ Чего не делать на этой плате. Крокодил сетевого осциллографа на общий провод; осциллограф без PE; USB или SWD к компьютеру под сетью; прибор на аккумуляторе или павербанке в руке; вход DHO900 категории I прямо на сеть (36з.7); два канала A − B вместо дифференциального щупа на импульсе затвора (36з.5: ошибка 3,25 В от сети при разбросе 1 %).

36з.9 Свой дифференциальный щуп

Заводской дифференциальный щуп дорог, и вопрос «собрать самому» задают часто. Можно — но всё, что посчитано в 36з.6, становится вашей задачей: подгонка плеч до сотых долей процента, ёмкости плеч до сотых пикофарады, развязанное питание вычитателя, номинал делителя по напряжению и по категории, и проверка, что всё это действительно так. Как это делается — следующий раздел, 36и.

36з.10 Грабли

«Отрезал землю у осциллографа — и всё заработало». Заработало, потому что корпус, все BNC и все крокодилы встали на потенциал схемы. Касание корпуса и чего-то заземлённого — 230 мА через тело (36з.1, 208.1). Развязывать прибор или канал, а не осциллограф.

Осциллограф на аккумуляторе: второй канал щёлкнул. Крокодилы его каналов общие: второй на другой точке — короткое замыкание (36з.3). Нужны изолированные каналы или дифференциальные щупы (36з.4).

На каждом фронте ключа — выброс в десятки вольт, которого нет. Ёмкость плавающего входа на землю и провод крокодила: 100 пФ и фронт 50 нс — 24,7 В в модели, павербанк на заряде — 191 В (36з.3). Убрать зарядник, укоротить опору, перейти на дифференциальный щуп.

A − B показывает сетевую синусоиду в несколько вольт там, где её нет. Разброс усиления каналов: 1 % — 10 мВ на каждый вольт синфазного, 3,25 В от сети; на фронтах — компенсация щупов, 23,1 В в модели (36з.5).

Дифференциальный щуп чистый на сети, но на фронтах ступенька. Ослабление синфазного падает с частотой: 80 дБ на 50 Гц, 40 дБ на мегагерцах в модели (36з.6). Смотреть паспорт щупа на частоте фронта.

Изолированный канал, а на фронте — выброс. Ёмкость барьера: 10 пФ на фронте 50 нс — 65 мА по проводу опоры и 14,5 В выброса (36з.3, 36з.6). Короткая опора, медленнее фронт или дифференциальный щуп.

Крокодил на «минус» бестрансформаторной платы — выбило УЗО. Повезло с вилкой: «минус» был нейтралью, и ток нагрузки ушёл по PE мимо УЗО. В другой ориентации вилки это было бы КЗ фазы на PE (36з.8).

Щуп с маркировкой CAT III на входе прибора CAT II. Номинал цепочки — по слабому звену (36з.7).

36з.11 Итоги

• Земля осциллографа — защитная земля PE. У DHO900 (питание 12 В через USB-C от адаптера) — клемма на задней панели: подключить к PE и проверить омметром.
• Осциллограф без PE опасен: корпус, все BNC и крокодилы встают на потенциал схемы; под сетью это 230 мА через тело. PE не отрезают — развязывают прибор или канал.
• Три правильных способа: разделительный трансформатор перед испытуемым (один общий крокодил, УЗО не действует, мощность — не меньше нагрузки), изолированные каналы, дифференциальный щуп.
• Осциллограф на аккумуляторе плавает, но каналы у него общие, корпус на потенциале схемы, а ёмкость на землю на фронтах берёт ток: 100 пФ — 24,7 В выброса на фронте 50 нс, павербанк на заряде — 191 В.
• Фазы относительно общей точки — один крокодил на всех; две развязанные части — изолированные каналы или по дифференциальному щупу на сторону.
• A − B двумя щупами: 1–2 % разброса — 10–20 мВ на вольт синфазного, 3,25–6,50 В от сети; на фронтах — компенсация, 23,1 В в модели; синфазное ещё и загоняет вход в ограничение.
• Дифференциальный щуп: ослабление синфазного задают плечи — 80 дБ на 50 Гц, 40 дБ на мегагерцах в модели; смотреть на частоте фронта.
• Категория и напряжение — парой, относительно земли; номинал цепочки — по слабому звену; стол с сетевым прибором — CAT II, 300 V.
• Бестрансформаторная плата: «минус» — это фаза или нейтраль; сначала без сети, потом дифференциальными щупами: сеть, детектор, затвор, MT2 − MT1.

Полные исходники

float36z.cir — плавающий вход и его ёмкость на землю: выброс на проводе крокодила.

* 36з.3, 36з.6: плавающий вход (осциллограф от аккумулятора или изолированный канал)
* и его ёмкость на землю. Крокодил сидит на точке ref, которая прыгает на 325 В
* (симистор открылся на вершине: фронт 1 мкс; ключ MOSFET: фронт 50 нс).
* Остриё смотрит на ту же точку — правильный ответ на экране 0 В.
* Ошибка на экране = V(ref) - V(ch): падение на проводе крокодила.
* Крокодил 15 см: 150 нГн и 0,05 Ом (как в 36а.2); выход точки — 1 Ом.
* Ёмкость входа на землю C: 10/30 пФ (изолированный канал), 100 пФ (прибор на
* аккумуляторе), 100 пФ + человек (1,5 кОм + 100 пФ, модель тела HBM),
* 2,2 нФ (павербанк заряжается: Y-конденсатор зарядника).
.subckt flt src ch c=100p
Rs src ref 1
Lg ref m 150n
Rg m ch 0.05
Cs ch 0 {c}
.ends
.subckt fltp src ch
Rs src ref 1
Lg ref m 150n
Rg m ch 0.05
Cs ch 0 100p
Rb ch b 1.5k
Cb b 0 100p
.ends
V1 s1 0 PULSE(0 325 1u 1u 1u 1 2)
V2 s2 0 PULSE(0 325 1u 50n 50n 1 2)
X11 s1 c11 flt c=10p
X12 s1 c12 flt c=30p
X13 s1 c13 flt c=100p
X14 s1 c14 fltp
X15 s1 c15 flt c=2.2n
X21 s2 c21 flt c=10p
X22 s2 c22 flt c=30p
X23 s2 c23 flt c=100p
X24 s2 c24 fltp
X25 s2 c25 flt c=2.2n
.tran 0.1n 4u 0 0.1n
.control
run
let e11 = abs(v(X11.ref) - v(c11))
let e12 = abs(v(X12.ref) - v(c12))
let e13 = abs(v(X13.ref) - v(c13))
let e14 = abs(v(X14.ref) - v(c14))
let e15 = abs(v(X15.ref) - v(c15))
let e21 = abs(v(X21.ref) - v(c21))
let e22 = abs(v(X22.ref) - v(c22))
let e23 = abs(v(X23.ref) - v(c23))
let e24 = abs(v(X24.ref) - v(c24))
let e25 = abs(v(X25.ref) - v(c25))
meas tran err_1us_10p MAX e11
meas tran err_1us_30p MAX e12
meas tran err_1us_100p MAX e13
meas tran err_1us_person MAX e14
meas tran err_1us_2n2 MAX e15
meas tran err_50n_10p MAX e21
meas tran err_50n_30p MAX e22
meas tran err_50n_100p MAX e23
meas tran err_50n_person MAX e24
meas tran err_50n_2n2 MAX e25
meas tran i_1us_10p AVG l.x11.lg#branch FROM=1.4u TO=1.9u
meas tran i_1us_100p AVG l.x13.lg#branch FROM=1.4u TO=1.9u
meas tran i_1us_person AVG l.x14.lg#branch FROM=1.4u TO=1.9u
meas tran i_1us_2n2 AVG l.x15.lg#branch FROM=1.4u TO=1.9u
.endc
.end

pseudo36z.cir — «дифференциал» из двух обычных щупов: разброс усиления и компенсации.

* 36з.5: «дифференциал» из двух обычных щупов 1:10: на экране CH1 - CH2.
* Оба острия на одной точке — общая (синфазная) часть есть, разности нет: правильный ответ 0.
* Щуп: R1 || C1 в наконечнике, вход прибора 1 МОм || 100 пФ (вместе с кабелем, 36а.2).
* A — эталон: 9 МОм, 11,111 пФ (точная компенсация).
* B1 — усиление ниже на 1 %: 9,10101 МОм (и C1 подстроен под него);
* B2 — ниже на 2 %: 9,20408 МОм; B3 — усиление точное, C1 = 12 пФ (компенсация «на глаз»).
* Синфазное: синус 325 В 50 Гц (сеть) и фронт 325 В за 1 мкс (симистор открылся).
.subckt probe tip out r1=9meg c1=11.111p
R1 tip out {r1}
C1 tip out {c1}
R2 out 0 1meg
C2 out 0 100p
.ends
Vs s 0 SIN(0 325 50)
XA  s a  probe
XB1 s b1 probe r1=9.10101meg c1=10.98901p
XB2 s b2 probe r1=9.20408meg c1=10.86474p
Vf f 0 PULSE(0 325 1u 1u 1u 1 2)
XFA f fa probe
XFB f fb probe c1=12p
.tran 2u 60m 20m 2u
.control
run
let d1 = 10 * (v(a) - v(b1))
let d2 = 10 * (v(a) - v(b2))
meas tran sin_d1_max MAX d1
meas tran sin_d2_max MAX d2
.endc
.control
reset
tran 1n 20u 0 1n
let d3 = 10 * (v(fa) - v(fb))
let ad3 = abs(d3)
meas tran step_d3_max MAX ad3
meas tran step_d3_at10u FIND d3 AT=10u
.endc
.end

diff36z.cir — дифференциальный щуп 1:100: ослабление синфазного по частоте и на фронтах.

* 36з.6: дифференциальный щуп 1:100 — два плеча-делителя и идеальный вычитатель.
* Плечо: 4,95 МОм || 1 пФ сверху, 50 кОм || 99 пФ снизу (скомпенсировано: 4,95 мкс = 4,95 мкс).
* Плечо B хуже на два допуска: резистор +0,01 %, верхняя ёмкость +0,01 пФ (+1 %).
* CMRR плеч = (усиление разности 1/100) / (усиление синфазного).
* Сам вычитатель в модели идеален — реальный усилитель добавит своё.
.subckt arm in out rt=4.95meg ct=1p
Rt in out {rt}
Ct in out {ct}
Rb out 0 50k
Cb out 0 99p
.ends
Vcm c 0 DC 0 AC 1
XA c a arm
XB c b arm rt=4.95049500meg ct=1.01p
Vp p 0 DC 0 AC 0.5
Vn n 0 DC 0 AC -0.5
XDA p da arm
XDB n db arm
Vf f 0 PULSE(0 325 1u 1u 1u 1 2)
XFA f fa arm
XFB f fb arm rt=4.95049500meg ct=1.01p
Vg g 0 PULSE(0 325 1u 50n 50n 1 2)
XGA g ga arm
XGB g gb arm rt=4.95049500meg ct=1.01p
Vs s 0 SIN(0 325 50)
XSA s sa arm
XSB s sb arm rt=4.95049500meg ct=1.01p
.control
ac lin 1 50 50
let cm = mag(v(a) - v(b))
let dm = mag(v(da) - v(db))
print 20*log10(dm/cm)
ac dec 10 10 100meg
let cm = mag(v(a) - v(b))
let dm = mag(v(da) - v(db))
let cmrr = 20*log10(dm/cm)
meas ac cmrr_1k FIND cmrr AT=1k
meas ac cmrr_10k FIND cmrr AT=10k
meas ac cmrr_100k FIND cmrr AT=100k
meas ac cmrr_1meg FIND cmrr AT=1meg
meas ac cmrr_10meg FIND cmrr AT=10meg
meas ac dm_1k FIND dm AT=1k
tran 1n 6u 0 1n
let e1 = 100 * abs(v(fa) - v(fb))
let e2 = 100 * abs(v(ga) - v(gb))
meas tran step1us_err MAX e1
meas tran step50n_err MAX e2
tran 2u 60m 20m 2u
let e3 = 100 * (v(sa) - v(sb))
meas tran sin50_err MAX e3
.endc
.end

Дальше: раздел 36и «Свой дифференциальный щуп: изолированный усилитель, развязанное питание, делитель и проверка» — как собрать дифференциальный щуп самому: подогнать плечи, развязать питание вычитателя и проверить его.