示波器探頭基礎(chǔ)系列之差分探頭

作為一名專(zhuān)業(yè)的硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進(jìn)行相關(guān)電氣信號(hào)量的量測(cè)。 與這些示波器相配的探頭種類(lèi)也非常多，包括無(wú)源探頭（包括高壓探頭，傳輸線探頭）、有源探頭（包括有源單端探頭、有源差分探頭等），電流探頭、光探頭等。每種探頭各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有其適用的場(chǎng)合。其中，有源探頭因具有帶寬高，輸入電容小，地環(huán)路小等優(yōu)點(diǎn)從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測(cè)領(lǐng)域，但有源探頭的價(jià)位高，動(dòng)態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個(gè)工程師使用示波器的入門(mén)級(jí)探頭通常是無(wú)源探頭。最常見(jiàn)的500Mhz的無(wú)源電壓探頭適用于一般的電路測(cè)量和快速診斷，可以滿(mǎn)足大多數(shù)的低速數(shù)字信號(hào)、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。

1、差分測(cè)量特點(diǎn)

探頭從總體上可分為無(wú)源探頭和有源探頭兩大類(lèi)型，而寬帶寬示波器和有源探頭的用戶(hù)還需要在單端探頭和差分探頭之間還要做出選擇。承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱(chēng)為差分走線。本文主要講的是分差探頭。差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

　　1.抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被最大程度抵消。

　　2.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

　　3.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

　　差分信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求對(duì)應(yīng)的測(cè)試設(shè)備也必須是差分拓?fù)?，差分探頭因此成為現(xiàn)代示波器的主流配件。下圖1是典型的有源差分探頭電路結(jié)構(gòu)圖：

　　針對(duì)高頻信號(hào)測(cè)試，有源差分探頭的主要好處是低輸入電容、比單端探頭抑制共模噪聲的能力要高很多，其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在價(jià)格普遍較高以及需要額外的電源。比如力科公司的WaveLink系列高帶寬差分探頭即是這類(lèi)探頭的代表。

　　2、差分探頭具有高的共模抑制比

　　什么是共模抑制比，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是差動(dòng)放大電路中對(duì)信號(hào)共模成分的抑制能力，其定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Adm與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Acm之比，英文全稱(chēng)是CommonModeRejectionRatio，一般用簡(jiǎn)寫(xiě)CMRR來(lái)表示。

　　我們可以這樣定義：兩個(gè)輸入端分別對(duì)地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器后的增益為共模增益Acm；兩個(gè)輸入端之間的相對(duì)電壓差為差模電壓Vdm，其經(jīng)過(guò)差模放大器之后的增益為Adm。CMRR計(jì)算公式如下：

差模信號(hào)電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時(shí)差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大器的性能越好。當(dāng)差動(dòng)放大電路完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)Acm=0，則共模抑制比CCMR→∞，這是理想情況，實(shí)際上電路完全對(duì)稱(chēng)是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無(wú)窮大。

　　哪些因素會(huì)影響探頭的共模抑制比呢？

　　電路對(duì)稱(chēng)性――電路的對(duì)稱(chēng)性決定了被放大后的信號(hào)殘存共模干擾的幅度，電路對(duì)稱(chēng)性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號(hào)（干擾）的能力也就越差。

　　信號(hào)頻率或者Dv/Dt

　　任何探頭或儀器輸入的不匹配。

　　很顯然，CMRR值越大越好，一般在60dB（1000:1）左右，但隨著頻率增加CMRR會(huì)逐漸減少。因?yàn)樵娇斓男盘?hào)邊沿越容易再正負(fù)兩端產(chǎn)生偏差，因而也會(huì)帶來(lái)更多的共模電壓，如下圖所示。

　　CMRR為什么很重要，因?yàn)椴罘痔筋^的CMRR指標(biāo)若不好，則共模電壓會(huì)加入差分電壓內(nèi)，造成測(cè)量上的誤差。

　　單端探頭的CMRR指標(biāo)為什么很難做高？單端探頭模型表明了探頭放大器到“大地”地線之間有一個(gè)寄生電阻和寄生電感，這兩個(gè)元件構(gòu)成了由探頭電纜屏蔽層和大地地線組成的傳輸線所產(chǎn)出的特性阻抗。這一特性阻抗是很重要的，因?yàn)楫?dāng)你給單端探頭加一個(gè)共模信號(hào)時(shí)，地線電感值就與這一特性阻抗一起組成了一個(gè)分壓器。此分壓器對(duì)到達(dá)放大器的地線信號(hào)起衰減作用。由于放大器的信號(hào)和地線輸入信號(hào)受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現(xiàn)了一個(gè)凈信號(hào)，從而使放大器有輸出信號(hào)。地線電感越大，共模抑制能力越低，所以當(dāng)使用單端探頭時(shí)，保持地線盡量短是很重要的。

　　當(dāng)你給差分探頭加上一個(gè)共模信號(hào)時(shí)，放大器的正負(fù)兩個(gè)輸入端都有同一個(gè)信號(hào)。所產(chǎn)生的唯一輸出信號(hào)是該放大器抑制特性的函數(shù)，它與連線電感無(wú)關(guān)。因此，在存在很大的共模噪音時(shí)，用差分探頭來(lái)測(cè)量更為精確。這是差分探頭與單端探頭之間很典型的區(qū)別，除非單端探頭的接地連接的電感非常小，而這一點(diǎn)在實(shí)際實(shí)踐中是很難做到的。所以實(shí)際的差分探頭CMRR一般都優(yōu)于單端探頭。

　　3、安全的浮地測(cè)量

　　電源系統(tǒng)測(cè)試中經(jīng)常要求測(cè)量三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對(duì)電壓差，很多用戶(hù)直接使用單端探頭測(cè)量?jī)牲c(diǎn)電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這是因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)示波器的”信號(hào)公共線”終端與保護(hù)性接地系統(tǒng)相連接，通常稱(chēng)之為“接地”。這樣做的結(jié)果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信號(hào)都具有一個(gè)公共的連接點(diǎn)。該公用連接點(diǎn)通常是示波器機(jī)殼，通過(guò)使交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線源線地線，并將探頭地線連到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上。單端探頭的地線與供電線直接相連，后果必然是短路。這種情況下，我們需要浮地測(cè)量。

　　所謂“浮地”測(cè)量，即測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)都不處于接地電位，這是一種典型的差分測(cè)量。“信號(hào)公共線”與地之間的電壓可能會(huì)升高到數(shù)百伏。

　　此外，許多差分測(cè)量還要求抑制高共模信號(hào)，以便于評(píng)估低電平差分信號(hào)，多余的接地電流還會(huì)產(chǎn)生煩人的嗡嗡聲和接地環(huán)路。用戶(hù)常常借助那些存在潛在危險(xiǎn)的測(cè)量技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。

　　通過(guò)切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線的方法或使用一個(gè)交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護(hù)地線浮動(dòng)起來(lái)，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實(shí)并不可行，因?yàn)樵诮ㄖ锏牟季€中中線也許在某處已經(jīng)與地線相連，是不安全的測(cè)量方法，會(huì)帶來(lái)l人身傷害，儀器和電路損壞！

　　此外，它違反了工業(yè)健康和安全規(guī)定，且獲得的測(cè)量結(jié)果也差。而且，交流供電儀器在地面浮動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寄生電容。因此，浮動(dòng)測(cè)量將受到振蕩的破壞。

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