[科普中國(guó)]-差分探頭

差分探頭1是示波器的一種測(cè)量探頭。差分探頭因此成為現(xiàn)代示波器的主流配件。

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(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。本文主要講的是差分探頭。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。

工作原理差分放大原理是指一對(duì)信號(hào)同時(shí)輸入到放大電路中，然后相減，得到原始信號(hào)。差分放大器是由兩個(gè)參數(shù)特性相同的晶體管用直接耦合方式構(gòu)成的放大器。若兩個(gè)輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號(hào)時(shí)，輸出為零，從而克服零點(diǎn)漂移。

下圖為基本差分放大器電路圖，該圖未顯示偏置參數(shù)。如圖所示，Q1、Q2為參數(shù)相同的三極管。信號(hào)從Q1、Q2的基極同時(shí)輸入，由集電極輸出。得到的信號(hào)就是差分放大后的信號(hào)。

差分探頭差分信號(hào)放大原理圖

差分探頭3大重要指標(biāo)帶寬帶寬 (通用)：所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7% 。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成 分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快2倍以上。

(-3 dB)的頻率，如圖6所示。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)最大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成 分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為精確地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快2倍以上。 在開關(guān)電源領(lǐng)域，一般50MHz的帶寬就基本夠用了。

CMRRCMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)共模信號(hào)信號(hào)的能力。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo)，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信號(hào)的電壓增益。Ac = 共模信號(hào)的電壓增益。在理想情況下，Ad 應(yīng)該很大，而Ac 則應(yīng)該等于0，因此CMRR 無(wú)窮大。在實(shí)踐中，10,000:1 的CMRR 已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號(hào)，使其在輸出上顯示為0.5 毫伏。由于CMRR 隨著頻率提高而下降，因此指定CMRR 的頻率與CMRR 值一樣重要。CMRR對(duì)于測(cè)量全橋或者半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測(cè)量這類信號(hào)時(shí)的難點(diǎn)。

畸變畸變：畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換
之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個(gè)差分輸入線非常長(zhǎng)，常見的有30cm左右，如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)不好，那么測(cè)量

差分探頭分類
常見的差分探頭有兩類：有一類是針對(duì)低壓信號(hào)的，在高速的數(shù)字電路中這種差分信號(hào)比較常見，這一類差分探頭的測(cè)量電壓常見的幅值是±8V，帶寬一般在1GHz以上；另一類是專門針對(duì)高壓測(cè)量的，測(cè)量電壓高達(dá)上KV，在開關(guān)電源測(cè)量中這種差分信號(hào)比較常見，這類差分探頭叫高壓差分探頭，測(cè)量電壓一般在KV級(jí)別，帶寬在20MHz—100MHz范圍內(nèi)比較常見。
?

用途**差分探頭主要用于觀測(cè)差分信號(hào)：**差分信號(hào)是相互參考、而不是以地作為參考點(diǎn)的信號(hào)。普通的單端探頭也可以測(cè)量差分信號(hào)，但得到的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相差很大，有可能出現(xiàn)“地彈”現(xiàn)象。

高壓差分探頭應(yīng)用
高壓差分探頭主要是針對(duì)浮地系統(tǒng)的測(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)殼通過使用交流電源設(shè)備電源線中的第三根導(dǎo)線地線，將探頭地線連到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上。如果這時(shí)使用單端探頭測(cè)量，那么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，我們需要差分探頭進(jìn)行浮地測(cè)量。

操作方法差分探頭PINTECH為例

其可分為兩部分。差分探頭外觀如下：

差分探頭外觀A.輸出端： BNC輸出端子和輔助接地端子用于連接示波器。

B.輸入端： 差分探頭輸入端用于連接探頭測(cè)試夾。

C.測(cè)試夾： 測(cè)試夾用于安全的連接到電路中的測(cè)試點(diǎn)

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)