示波器探頭基礎(chǔ)系列之差分探頭
2017-09-04 16:04:44 點擊：
作為一名專業(yè)的硬件設(shè)計及測試工程師，我們每天都在使用各種不同的數(shù)字示波器進行相關(guān)電氣信號量的量測。 與這些示波器相配的探頭種類也非常多，包括無源探頭（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，因而各有其適用的場合。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)點從而被廣泛使用在高速數(shù)字量測領(lǐng)域，但有源探頭的價位高，動態(tài)范圍小，靜電敏感，校準(zhǔn)麻煩，因此，每個工程師使用示波器的入門級探頭通常是無源探頭。ZUI常見的500Mhz的無源電壓探頭適用于一般的電路測量和快速診斷，可以滿足大多數(shù)的低速數(shù)字信號、TV、電源和其它的一些典型的示波器應(yīng)用。
1、差分測量特點
探頭從總體上可分為無源探頭和有源探頭兩大類型，而寬帶寬示波器和有源探頭的用戶還需要在單端探頭和差分探頭之間還要做出選擇。承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。本文主要講的是分差探頭。差分信號和普通的單端信號走線相比，ZUI明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：
1.抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被ZUIDA程度抵消。
2.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。
3.時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。
差分信號的結(jié)構(gòu)特點要求對應(yīng)的測試設(shè)備也必須是差分拓撲，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：
針對高頻信號測試，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，其缺點主要體現(xiàn)在價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，簡單來說，就是差動放大電路中對信號共模成分的抑制能力，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Adm與對共模信號的電壓放大倍數(shù)Acm之比，英文全稱是CommonModeRejectionRatio，一般用簡寫CMRR來表示。
我們可以這樣定義：兩個輸入端分別對地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經(jīng)過差動放大器后的增益為共模增益Acm；兩個輸入端之間的相對電壓差為差模電壓Vdm，其經(jīng)過差模放大器之后的增益為Adm。CMRR計算公式如下：
差模信號電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時差分放大電路抑制共模信號的能力越強，放大器的性能越好。當(dāng)差動放大電路完全對稱時，共模信號電壓放大倍數(shù)Acm=0，則共模抑制比CCMR→∞，這是理想情況，實際上電路完全對稱是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無窮大。
哪些因素會影響探頭的共模抑制比呢？
電路對稱性――電路的對稱性決定了被放大后的信號殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號（干擾）的能力也就越差。
信號頻率或者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會逐漸減少。因為越快的信號邊沿越容易再正負兩端產(chǎn)生偏差，因而也會帶來更多的共模電壓，如下圖所示。
CMRR為什么很重要，因為差分探頭的CMRR指標(biāo)若不好，則共模電壓會加入差分電壓內(nèi)，造成測量上的誤差。
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”地線之間有一個寄生電阻和寄生電感，這兩個元件構(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，因為當(dāng)你給單端探頭加一個共模信號時，地線電感值就與這一特性阻抗一起組成了一個分壓器。此分壓器對到達放大器的地線信號起衰減作用。由于放大器的信號和地線輸入信號受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現(xiàn)了一個凈信號，從而使放大器有輸出信號。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，保持地線盡量短是很重要的。
當(dāng)你給差分探頭加上一個共模信號時，放大器的正負兩個輸入端都有同一個信號。所產(chǎn)生的唯一輸出信號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，用差分探頭來測量更為精確。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，而這一點在實際實踐中是很難做到的。所以實際的差分探頭CMRR一般都優(yōu)于單端探頭。
3、安全的浮地測量
電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量兩點電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。這是因為：大多數(shù)示波器的”信號公共線”終端與保護性接地系統(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都具有一個公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼，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測試點上。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，我們需要浮地測量。
所謂“浮地”測量，即測量的兩個點都不處于接地電位，這是一種典型的差分測量。“信號公共線”與地之間的電壓可能會升高到數(shù)百伏。
此外，許多差分測量還要求抑制高共模信號，以便于評估低電平差分信號，多余的接地電流還會產(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的測量技術(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交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護地線浮動起來，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實并不可行，因為在建筑物的布線中中線也許在某處已經(jīng)與地線相連，是不安全的測量方法，會帶來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，且獲得的測量結(jié)果也差。而且，交流供電儀器在地面浮動時會出現(xiàn)一個大的寄生電容。因此，浮動測量將受到振蕩的破壞。
1、差分測量特點
探頭從總體上可分為無源探頭和有源探頭兩大類型，而寬帶寬示波器和有源探頭的用戶還需要在單端探頭和差分探頭之間還要做出選擇。承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。本文主要講的是分差探頭。差分信號和普通的單端信號走線相比，ZUI明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：
1.抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被ZUIDA程度抵消。
2.能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。
3.時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。
差分信號的結(jié)構(gòu)特點要求對應(yīng)的測試設(shè)備也必須是差分拓撲，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：
針對高頻信號測試，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，其缺點主要體現(xiàn)在價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，簡單來說，就是差動放大電路中對信號共模成分的抑制能力，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Adm與對共模信號的電壓放大倍數(shù)Acm之比，英文全稱是CommonModeRejectionRatio，一般用簡寫CMRR來表示。
我們可以這樣定義：兩個輸入端分別對地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經(jīng)過差動放大器后的增益為共模增益Acm；兩個輸入端之間的相對電壓差為差模電壓Vdm，其經(jīng)過差模放大器之后的增益為Adm。CMRR計算公式如下：
差模信號電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時差分放大電路抑制共模信號的能力越強，放大器的性能越好。當(dāng)差動放大電路完全對稱時，共模信號電壓放大倍數(shù)Acm=0，則共模抑制比CCMR→∞，這是理想情況，實際上電路完全對稱是不存在的，共模抑制比也不可能趨于無窮大。
哪些因素會影響探頭的共模抑制比呢？
電路對稱性――電路的對稱性決定了被放大后的信號殘存共模干擾的幅度，電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號（干擾）的能力也就越差。
信號頻率或者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會逐漸減少。因為越快的信號邊沿越容易再正負兩端產(chǎn)生偏差，因而也會帶來更多的共模電壓，如下圖所示。
CMRR為什么很重要，因為差分探頭的CMRR指標(biāo)若不好，則共模電壓會加入差分電壓內(nèi)，造成測量上的誤差。
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”地線之間有一個寄生電阻和寄生電感，這兩個元件構(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，因為當(dāng)你給單端探頭加一個共模信號時，地線電感值就與這一特性阻抗一起組成了一個分壓器。此分壓器對到達放大器的地線信號起衰減作用。由于放大器的信號和地線輸入信號受到的衰減各不相同，在放大器的輸入端上就出現(xiàn)了一個凈信號，從而使放大器有輸出信號。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，保持地線盡量短是很重要的。
當(dāng)你給差分探頭加上一個共模信號時，放大器的正負兩個輸入端都有同一個信號。所產(chǎn)生的唯一輸出信號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，用差分探頭來測量更為精確。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，而這一點在實際實踐中是很難做到的。所以實際的差分探頭CMRR一般都優(yōu)于單端探頭。
3、安全的浮地測量
電源系統(tǒng)測試中經(jīng)常要求測量三相供電中的火線與火線，或者火線與零（中）線的相對電壓差，很多用戶直接使用單端探頭測量兩點電壓，導(dǎo)致探頭燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生。這是因為：大多數(shù)示波器的”信號公共線”終端與保護性接地系統(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都具有一個公共的連接點。該公用連接點通常是示波器機殼，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測試點上。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，我們需要浮地測量。
所謂“浮地”測量，即測量的兩個點都不處于接地電位，這是一種典型的差分測量。“信號公共線”與地之間的電壓可能會升高到數(shù)百伏。
此外，許多差分測量還要求抑制高共模信號，以便于評估低電平差分信號，多余的接地電流還會產(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的測量技術(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交流隔離變壓器，切斷中線與地線的連接。將示波器從保護地線浮動起來，以減小地環(huán)路的影響。這種方法其實并不可行，因為在建筑物的布線中中線也許在某處已經(jīng)與地線相連，是不安全的測量方法，會帶來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，且獲得的測量結(jié)果也差。而且，交流供電儀器在地面浮動時會出現(xiàn)一個大的寄生電容。因此，浮動測量將受到振蕩的破壞。
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