- 差分測(cè)量的特點(diǎn)
- 對(duì)于共模信號(hào)的測(cè)量，差分探頭更加準(zhǔn)確
- 在電源測(cè)試中，能做到安全的浮地測(cè)量
那單端探頭能否從理論上代替差分探頭的功能呢？ 答案是否定的，不僅僅是因?yàn)閮r(jià)格或使用方便性的因素，更重要的是技術(shù)層面，差分信號(hào)測(cè)試的應(yīng)用特點(diǎn)決定了很多情況下只有差分探頭而非單端探頭才能勝任這一工作。這包括差分信號(hào)表現(xiàn)形式、共模抑制能力、安全的浮地電源測(cè)量等等。
1、差分測(cè)量特點(diǎn)
計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子工業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)著信號(hào)傳輸率不斷提高，也推動(dòng)著越來越多的信號(hào)協(xié)議從單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，何為差分信號(hào)？通俗地說，就是芯片驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。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：
a.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。
b.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。
c.時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開關(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（low voltage differential signaling）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)洌罘痔筋^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)單來說，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，英文全稱是Common Mode Rejection Ratio，一般用簡(jiǎn)寫CMRR來表示。
哪些因素會(huì)影響探頭的共模抑制比呢？
a.電路對(duì)稱性——電路的對(duì)稱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。
b.信號(hào)頻率或者Dv/Dt
c.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)帶來更多的共模電壓，如下圖所示。
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)，它與連線電感無關(guān)。因此，在存在很大的共模噪音時(shí)，用差分探頭來測(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。用戶常常借助那些存在潛在危險(xiǎn)的測(cè)量技術(shù)來解決這些問題。
通過切斷標(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，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。
a.損壞被測(cè)器件
b. 損壞示波器
c.給人身帶來潛在傷害
d.導(dǎo)致很差的測(cè)量精度
問題該如何解決：
最佳解決辦法就是使用高共模抑制比的差分探頭，因?yàn)閮蓚€(gè)輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號(hào)的差分運(yùn)算在探頭前端放大器完成，傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘?hào)是已差分后的電壓，示波器無需去掉三線插頭的接地端即可實(shí)現(xiàn)安全的浮地測(cè)量。比如力科公司的ADP305高壓差分探頭即是安全測(cè)量三相市電的火線與火線、火線與中線間壓差的最佳探頭。
