差分探頭

差分探頭是示波器的一種測量探頭。差分探頭因此成為現代示波器的主流配件。

基本介紹

• 中文名：差分探頭
• 外文名：differential probe
• 類型：示波器配件
• ：
• 用途：差分探頭主要用於觀測差分信

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，而寬頻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。本文主要講的是差分探頭。差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優勢體現在以下三個方面：

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，而接收端關心的只是兩信號的差值，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，由於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，由於差分信號的開關變化是位於兩個信號的交點，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，同時也更適合於低幅度信號的電路。目前流行的LVDS就是指這種小振幅差分信號技術。

差分信號的結構特點要求對應的測試設備也必須是差分拓撲，差分探頭因此成為現代示波器的主流配件。

工作原理

差分放大原理是指一對信號同時輸入到放大電路中，然後相減，得到原始信號。差分放大器是由兩個參數特性相同的電晶體用直接耦合方式構成的放大器。若兩個輸入端上分別輸入大小相同且相位相同的信號時，輸出為零，從而克服零點漂移。

下圖為基本差分放大器電路圖，該圖未顯示偏置參數。如圖所示，Q1、Q2為參數相同的三極體。信號從Q1、Q2的基極同時輸入，由集電極輸出。得到的信號就是差分放大後的信號。

差分探頭差分信號放大原理圖

差分探頭3大重要指標

頻寬

頻寬 (通用)：所有探頭都有頻寬。探頭的頻寬是指探頭回響導致輸出幅度下降到70.7% 。在選擇示波器和示波器探頭時，要認識到頻寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近頻寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在頻寬極限上，正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。因此，為實現最大的幅度測量精度，必需選擇頻寬比計畫測量的最高頻率波形高几倍的示波器和探頭。這同樣適用於測量波形上升時間和下降時間。波形轉換沿(如脈衝和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。頻寬極限使這些高頻成 分發生衰減，導致顯示的轉換慢於實際轉換速度。為精確地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統必需使用擁有充足的頻寬，可以保持構成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測量系統的上升時間時，系統的上升時間一般應該比要測量的上升時間快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，要認識到頻寬在許多方面影響著測量精度。在幅度測量中，隨著正弦波頻率接近頻寬極限，正弦波的幅度會變得日益衰減。在頻寬極限上，正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。因此，為實現最大的幅度測量精度，必需選擇頻寬比計畫測量的最高頻率波形高几倍的示波器和探頭。這同樣適用於測量波形上升時間和下降時間。波形轉換沿(如脈衝和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。頻寬極限使這些高頻成 分發生衰減，導致顯示的轉換慢於實際轉換速度。為精確地測量上升時間和下降時間，使用的測量系統必需使用擁有充足的頻寬，可以保持構成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。最常見的情況下，使用測量系統的上升時間時，系統的上升時間一般應該比要測量的上升時間快2倍以上。 在開關電源領域，一般50MHz的頻寬就基本夠用了。 
 

CMRR

CMRR (共模抑制比)：共模抑制比(CMRR)是指差分探頭在差分測量中抑制兩個測試點共模信號信號的能力。這是差分探頭的關鍵指標，其公式為：CMRR = |Ad/Ac|。其中：Ad = 差分信號的電壓增益。Ac = 共模信號的電壓增益。在理想情況下，Ad 應該很大，而Ac 則應該等於0，因此CMRR 無窮大。在實踐中，10,000:1 的CMRR 已經被看作非常好了。這意味著將抑制5 V 的共模輸入信號，使其在輸出上顯示為0.5 毫伏。由於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對於測量全橋或者半橋電路的上管驅動波時，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測量這類信號時的難點。

畸變

畸變：畸變是輸入信號預計回響或理想回響的任何幅度偏差。在實踐中，在快速波形轉換 
之間通常會立即發生畸變，其表現為所謂的“減幅振盪”。差分探頭的兩個差分輸入線非常長，常見的有30cm左右，如果差分探頭這個指標設計不好，那么測量

差分探頭分類

常見的差分探頭有兩類：有一類是針對低壓信號的，在高速的數字電路中這種差分信號比較常見，這一類差分探頭的測量電壓常見的幅值是±8V，頻寬一般在1GHz以上；另一類是專門針對高壓測量的，測量電壓高達上KV，在開關電源測量中這種差分信號比較常見，這類差分探頭叫高壓差分探頭，測量電壓一般在KV級別，頻寬在20MHz—100MHz範圍內比較常見。  
 

用途

　　

差分探頭主要用於觀測差分信號：差分信號是相互參考、而不是以地作為參考點的信號。普通的單端探頭也可以測量差分信號，但得到的信號與實際信號相差很大，有可能出現“地彈”現象。

高壓差分探頭套用

 
高壓差分探頭主要是針對浮地系統的測量。電源系統測試中經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，導致探頭燒毀的現象時有發生。這是因為：大多數示波器的“信號公共線”終端與保護性接地系統相連線，通常稱之為“接地”。這樣做的結果是：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線點。該公用連線點通常是示波器機殼通過使用交流電源設備電源線中的第三根導線地線，將探頭地線連到一個測試點上。如果這時使用單端探頭測量，那么單端探頭的地線與供電線直接相連，後果必然是短路。這種情況下，我們需要差分探頭進行浮地測量。

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於連線示波器。

請添加圖片說明

B.輸入端： 差分探頭輸入端用於連線探頭測試夾。

C.測試夾： 測試夾用於安全的連線到電路中的測試點