各位如果想用示波器觀察 電話訊號 的話,應該會有很高的機會遇到60Hz的干擾,這個干擾遠遠大於電話線上的音頻訊號,今天阿信助教就來告訴各位這些干擾是從哪裡來的,又該怎麼降低它,甚至消除它。為了節省篇幅,這篇文章基本上已經假設各位已經知道如何使用示波器來觀察電話訊號,想要前情提要一下的朋友們請先參考這篇電話訊號-差分訊號觀察-示波器祕技上集,保證你可以對電話系統較有概念。
惱人的60Hz Humming
一般我用示波器觀察電話訊號都是將兩個Channel相減,就能得到電話訊號,如下圖的紅色波形。正常來說這兩個Channel的波形看起來,應該要像下圖一般,是個水平趨勢的波形。
但是總有那麼些機會你會遇到如下圖般的波形,CH1與CH2的波形變成一個非常大的弦波,它的振幅遠遠超過電話的音頻訊號,於是觀察音頻訊號就變得非常吃力。如果把示波器頻率測量功能打開的話,毫無例外的這個頻率就會剛好是60Hz,也就是台電供電系統的頻率。
這60Hz是怎麼出現的呢? 我先講答案,後續再來說明原因。造成示波器出現這麼大弦波的元兇,就是示波器的電源插頭沒有接地,各位可以檢查看看示波器電源插頭的第三根腳是不是被拔掉? 或是插座的地線根本就是空接。
我自己的老舊公寓基本上從電箱開始就沒有地線存在,所以示波器當然也就沒有地線可以用,整個量測環境的簡圖就變成如下圖所示,示波器的地線端子與大地並沒有相接。
將示波器接地
為了示範有接地與沒接地的差別,我借用台電的中性線來當作地線,因為台電的中性線在外面是有接地的,所以我等於是吃台電一點豆腐。那該怎麼做呢? 我特別拿了一條電源線將插頭剪掉,把火線、中性線、地線露出來,然後插在示波器的電源上如下圖,方便我後面的實驗說明,由於電線裸露,一旦這條特別的電源線插在插座上,就要特別注意火線的觸電風險,因此我會用膠布把火線封起來避免觸電,接著我就會拿這條特殊的電源線,將中性線與地線來短路做實驗。
這裡要提醒各位千千萬萬要注意,我在上圖的電源線裡面,中性線是白色,火線是黑色,這是正常的狀況會如此。但我必須說在不同的建築物裡面,因為當初蓋房子的師傅們,不見得會按部就班的把火線接短孔,中性線接長孔,插座電源反接的情況非常普遍,於是中性線就不會是白色的,我還看過新成屋的火線與中性線插座是反接的。
為了避免危險,你一定要先用電表或驗電筆先測試過插座,確定哪一條是火線,哪一條是中性線,多試幾次也沒關係,一定要確定中性線是哪一條才能做這個實驗。
接著就來做示波器接地的實驗,因為電源延長線的中性線與地線都是整排相連的,所以我只要把這條特殊的電源線插在延長線上,將它的中性線與地線短路,示波器就等於是接地了,而且不只示波器會接地,所有接在這個電源迴路的設備都會接地,下圖就是將兩者短路之後所得到的電話波形,各位有沒有發現60Hz的波形消失了,取而代之的是下圖奇怪的波形,你不要看這個奇怪的波形好像振福很大,它其實振福不大,是我把電壓設定改變讓顯示振幅變大的,這意思就是60Hz的超大弦波真的消失了,各位若要有實際的震撼感,可能要看我文章開頭的影片比較有感覺。
產生60Hz Humming的原理
接下來說明為何示波器空接會產生很大的60Hz弦波? 因為示波器裡面終究是電路構成,只要是電路一定會有一個Ground來當作參考電位,簡寫為GND,這個GND的金屬面積是非常大的,基本上電路板有多大GND的銅箔就會有多大,甚至PCB板上面還會再蓋一層鐵殼,總之GND的金屬面積就是大。
這麼大面積的金屬原本的用意就是要拿來降低阻值,所有的電流只要流進GND就會如掉進萬丈深淵一般的不激起一點漣漪,如果GND跟大地相接的話效果更好,因為地球的體積又比PCB大更多,那才叫做萬丈深淵。
但現在示波器它就是沒接地,那麼這塊GND金屬基本上它就會像是一根天線,它會收到各式各樣的訊號,由於GND是空接的狀態,對地阻抗非常大,根據V=IR只需要一點點感應電流就能產生極大的電壓,其中最強的就是台電的60Hz。
我把示意圖畫在下面,原本我們期待示波器的GND電位應該是恆定,或者說是水平的,但沒接地的示波器GND卻會感應到台電的60Hz弦波電流進而轉換為電壓,所以即便我們的待測訊號是一個直流電壓,由於示波器所參考的GND是一個弦波,所以對示波器來說,它彷彿就觀察到一個交流電壓一般,其實根本就是示波器自己的參考電位高高低低的所導致,下圖右下角的兩組圖示就簡單說明了這個現象。
若要消除這種60Hz市電的影響,最好的方式就是要將示波器接地,如下圖。如此一來示波器的GND與大地之間的阻抗是最低的,GND所感應到的電荷幾乎都會被稀釋掉,因為大地的量體實在非常大,若以某個瞬間的電荷狀態來看,就可以用靜電學的角度來看待,大地就像電荷的排水孔一般,可以吸收絕大部分的感應電荷,因此有接地的示波器幾乎不會有弦波電壓出現在GND上。但仍有小部分的交流電壓是來自於下圖中的紅色面積,這一圈的迴路雖然很大圈,但能量不強畢竟它只有一圈,像這種干擾就閃不掉你只能接受它,這種干擾就不會反應在GND上,而是反應在示波器的探針上面,但還好這種情況下的60Hz振福比起剛才示波器GND空接的波形,已經縮到很小了,但仍然是比電話訊號強,這就是為何電話系統用的是差分訊號的原因,詳情請看這篇電話訊號-示波器祕技-差分訊號觀察。
現場就是無法接地
前面講的東西看來好像能解決一些問題,但是我相信仍然會有一些無法順利接地的場合,無論是主觀或客觀環境造成。在這種情況之下,還是有些小技巧可以使用,在這裡分享給大家。
若示波器無法接地的話,各位可以在Tip與Ring之間串兩個相同的電阻,我這裡用的是10k歐姆,這兩個電阻連接的地方,就是要給示波器GND用的,如下圖。如此一來60Hz的感應電壓,透過局端的輸出電阻與這個串接電阻形成了一個迴路,10k歐姆電阻等於是與局端電阻做了一個分壓,原本Tip與示波器GND之間的電阻是無窮大,現在變成10k歐姆,橫跨於電阻的電壓當然會變小,這麼一來我們就可以再把示波器的顯示振幅調大,用來換取波形的解析度,將來Math的減法運算得到的音頻波形才會比較好看。
下圖是我已經把10k歐姆電阻都串接好了,但示波器GND尚未接上兩個電阻的中點,在這個階段各位可以看到示波器的60Hz訊號Vpp大約是52V,其實是滿大的電壓,不過它能量不強,畢竟它是感應來的,也就是電流很小的意思。順便提醒各位一下,下圖中的60Hz波形雖然看起來是CH1的訊號,其實是它應該是GND的波形,因為局端來其實是直流電壓,只不過因為示波器的GND空接才讓這個直流電看起來像交流電,因為示波器本身的GND被當天線了,所以才變成以弦波當參考電位,無論怎麼量都會是弦波。
當我把示波器GND接上電阻中點的時候,如下圖中的弦波很明顯的變小了,因為振幅被分壓分掉了,不知各位是不是有種見獵心喜的念頭,想說乾脆把10k歐姆改成小一點的1k歐姆就好了,這樣弦波不就更小,請注意! 這裡就要在思考上踩煞車了,千萬不要掉入單向思考的陷阱。各位一定要記住我們最原始的初衷,我們是要觀察電話的音頻訊號,所以務必要讓電話處於可以工作的狀態,如果串接的電阻弄得很小,那麼就會讓Tip/Ring的電壓過小,導致電話機沒電而罷工,這樣就沒有音頻訊號可以測量了,所以任何事情都要隨時記得初衷,並且要有個節制,過與不及都不好,中庸之道才是上策,一般做事難就難在這裡。
由於弦波振幅已經變小了,所以我可以再把顯示振幅拉大,這樣就能得到更多的解析度,下圖就是我把按鈕”1″的雙音複頻DTMF波形,顯示在示波器畫面上的樣子,看起來似乎沒甚麼問題,這樣基本上就達成我們的觀察音頻訊號的目的了。
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