泰克示波器差分信号测量

差分测量

从严格意义上讲，所有测量都是差分测量。对把探头连接到信号点、把探头地线连接到电路接地上的标准示波器测量，实际上是测量测试点和接地之间的信号差异。从这个意义上讲，有两条信号线，即接地信号线和测试信号线。

但在实践中，差分测量是指测量的两条信号线都在接地之上。这要求使用某类差分放大器，以便能够以代数方式把两条信号线 ( 双端信号源) 加总到参考接地的一条信号线中( 单端信号)，然后再输入到示波器中，如图6.7 所示。差分放大器可以是隶属于探测系统的

专用放大器，或如果示波器支持波形数学运算，可以在单独的示波器通道上采集每个信号线然后以代数方式对两条通道求和。不管是两种情况，抑制共模信号都是差分测量质量的重要因素。

了解差模信号和共模信号。理想的差分放大器会放大两个输入之间的“差分”信号VDM，全面抑制两个输入任何公共的电压VCM。其得到一个输出电压，公式

如下：

Vo - Av (V+in - V-in)

其中：

Av = 放大器的增益

Vo = 参考接地输出信号

感兴趣的电压或差分信号称为差分电压或差模信号，其表示为：VDM

其中：

VDM = 上面公式中的V+in 项 - V-in 项

注意共模电压VCM 并不是上述公式的一部分，这是因为理想的差分放大器会抑制所有共模成分，而不管其幅度或频率是多少。

图6.8 提供了使用差分放大器测量反相器电路中上方MOSFET 设备的门驱动装置的实例。在MOSFET 开关时，源电压从正供电轨道摆到负供电轨道。变压器允许门信号参考信号源。差分放大器允许示波器以足够的分辨率测量真正的VGS 信号( 几伏摆幅)，如2V/ 格，同时抑制接地信号源的几百伏转换。

在实际环境中，差分放大器并不允抑制所有共模信号。少量的共模电压会在输出中表现为错误信号，而不能从希望的差分信号中把这种共模错误信号分开。

差分放大器能够大限度地缩小不希望的共模信号的能力，称为共模抑制比，或简写为CMRR。CMRR 的真正定义是“差模增益除以参考输入的共模增益”：

CMRR = ADM/ACM

在评估时，可以在没有输入信号的情况下评估CMRR性能。然后，CMRR 会变成明显的VDM，可以在共模输入导致的输出上看到这个VDM。这可以用比率表示，如10,000:1，也可以用dB 表示：

dB = 20 log (ADM/ACM)

例如，10,000:1 的CMRR 等于80 dB。为查看其重要意义，假设需要在音频功放器的输出阻尼电阻器中测量电压，如图6.9 所示。在全负荷下，通过阻尼器的电压(VDM) 应达到35 mV，输出摆幅(VCM) 为80Vp-p。使用的差分放大器在1 kHz 时的CMRR 指标为10,000:1。在使用1 kHz 正弦波把放大器驱动到全功率时，千分之十的共模信号将在差分放大器的输出上错误地显示为VDM，其将是80 V/10,000 或8 mV。

8 mV 的残余共模信号在实际35 mV 信号中代表着高达22% 的误差!

必需指出，CMRR 指标并不是一个绝对值。它没有指明误差的极性或相位度数。因此，不能简单地从显示的波形中减去误差。此外，CMRR 一般在DC 高( 好)，随着VCM 频率提高，CMRR 会下降。某些差分放大器会作为频率的函数绘制CMRR 指标；其它差分放大器则只在一些关键频率上提供CMRR 规范。不管哪种情况，在比较差分放大器或探头时，都要保证CMRR 比较处在相同的频率上。

还要注意，CMRR 指标假设共模成分是正弦曲线，而实际情况通常并不是这样。例如，图6.8 中的反相器的共模信号是一个30 kHz 方波。由于方波包含着频率远远高于30 kHz 的能量，因此CMRR 可能会要差于30 kHz 点上指定的值。

在共模成分不是正弦曲线时，经验测试是确定CMRR误差成分快捷的方式( 参见图6.10)。暂时把输入引线连接到信号源上。示波器现在只显示共模误差。现在可以确定误差信号幅度是否明显。记住，并没有指定VCM 和VDM 之间的相位差。因此，从差分测量结果中减去显示的共模误差并不能准确地抵消误差项。

图6.10 所示的测试可以很好地确定实际测量环境中的共模抑制误差程度。但是，有一种效应这种测试解决不了。在两个输入都连接到同一点时，放大器看到的驱动阻抗没有差异。这种情况产生了好的CMRR性能，但在差分放大器的两个输入从明显不同的信号源阻抗驱动时，CMRR 将会劣化。

大限度地降低差分测量误差把差分放大器或探头连接到信号源上一般是大的误差来源。为保持输入匹配，两条通路应尽可能完全相同。对两个输入，任何线缆的长度都应该相同。如果对每条信号线使用单独的探头，那么它们应该采用相同的型号和电缆长度。在使用大的共模电压测量低频信号时，要避免使用衰减探头。在高增益上，之所以不能使用衰减探头，因为不可能精确地平衡其衰减。在高压或高频应用需要衰减时，应使用为差分应用专门设计的专用无源探头。这些探头拥有相应的功能，可以精确地调整DC 衰减和AC 补偿。为实现佳性能，应把一套探头专用于每个特定的放大器，并使用探头自带的程序校准该放大器。单独的输入线缆会成为变压器线圈。穿过环路的任何AC 磁场会对放大器输入表现为差分，完整地加总到输出中！为大限度地降低这种影响，常用方法是把+ 和- 输入电缆绞合在一个线对中。这降低了线路频率和其它噪声捡拾。通过把输入导线绞合在一起，如图6.11 所示，任何感应的电压一般都会位于VCM 通路中，并通过差分放大器进行抑制。通过把两条输入导线编码到一个铁素体芯上，可以改进容易受到过高共模信号影响的高频测量。这衰减了两个输入共用的高频信号。由于差分信号以两个方向穿过磁芯，因此其不受任何影响。

大多数差分放大器的输入连接器是外壳接地的BNC连接器。在使用探头或同轴电缆输入连接时，一直有一个怎样处理接地的问题。由于测量应用不同，因此并没有一成不变的硬性规定。在测量低频率的低电平信号时，好只在放大器一端连接接地，而在输入端都不要连接。这为感应到屏蔽中的任何电流提供了一条回路，但不会产生可能扰乱测量或被测器件的接地环路。在较高的频率上，探头输入电容及导线电感构成了可能会振铃的串联“谐振”电路。在单端测量中，通过使用短的地线，可以大限度地降低这种效应。这降低了电感，可以有效地提高谐振频率，其可望超过放大器的带宽。差分测量在两只探头尖端之间进行，测量中没有接地的概念。

但是，如果振铃是由于共模成分快速上升产生的，那么使用短地线可以降低谐振电路中的电感，进而降低振铃成分。在某些情况下，通过连接地线，也可以降低快速差分信号导致的振铃，当共模信号源在高频上拥有非常低的到地阻抗时，可以采用这种方法，即使用电容器避开振铃。否则，连接地线可能会使情况变得更糟！如果发生这种情况，应试着在输入端把探头一起接地，这可以降低通过屏蔽的有效电感。当然，把探头接地连接到电路上可能会产生接地环路。

在测量频率更高的信号时，这通常不会导致问题。在测量高频率时，好尝试有地线时及没有地线时进行测量；然后使用提供佳结果的设置。在把探头地线连接到电路上时，记住要把它连接到接地上！在使用差分放大器时，很容易会忘了接地连接在哪里，因为差分放大器可以探测电路中的任何地方，而没有损坏风险。