示波器的差分信號(hào)測(cè)量

差分放大器和探頭的類型
內(nèi)置差分放大器。很多示波器都能夠用內(nèi)置的功能進(jìn)行最簡(jiǎn)單的差分測(cè)量。這種方式叫做“chanel A － chanel B”（通道A 減通道B）方式或者“準(zhǔn)差分”方式。雖然性能上受到限制，這項(xiàng)技術(shù)還是適合一些測(cè)量的需求的。為了進(jìn)行差分測(cè)量，要使用兩個(gè)垂直通道，一個(gè)用于正輸入，一個(gè)用于負(fù)輸入。用于負(fù)輸入的通道被設(shè)置成反轉(zhuǎn)方式，顯示方式則設(shè)置為“ADD Channel　A + Channel B”（通道A 加通道B）。為了正常工作，兩個(gè)輸入必須設(shè)定在相同的標(biāo)度系數(shù)，兩個(gè)輸入探頭也必須是同型號(hào)的?，F(xiàn)在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個(gè)輸入端的差電壓。
為了獲得最大的CMRR，兩個(gè)通道的增益應(yīng)當(dāng)匹配。這不難做到，只須將兩個(gè)探頭連接到方波信號(hào)源并使信號(hào)源的振幅保持在設(shè)定的“電壓/ 分度”的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)（大約±6 分度）。將一個(gè)通道的增益方式設(shè)置為“uncalibrated - variable”（非校準(zhǔn)－可變），并調(diào)節(jié)可變?cè)鲆婵刂菩o直到顯示的波形成為平直的軌跡。這項(xiàng)技術(shù)的主要局限性在于其共模范圍比較小，這是示波器垂直通道的動(dòng)態(tài)范圍造成的。一般來(lái)說(shuō)，其值小于“電壓/分度”設(shè)定值的10 倍（相對(duì)于地）。只要VCM > VDM，獲得了差分結(jié)果的這種工作方式就可以認(rèn)為是從兩個(gè)大電壓中提取了小差值。
在模擬信號(hào)數(shù)字化以后，大多數(shù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器是在數(shù)字域中完成波形的數(shù)學(xué)分析。在減掉了共模信號(hào)之后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限的分辨率常常不適于檢查所得到的差分信號(hào)。由于兩個(gè)通道的交流增益沒(méi)有精確地匹配，高頻的CMRR 相當(dāng)?shù)土印?BR>這項(xiàng)技術(shù)適用于共模信號(hào)的振幅等于或低于差模信號(hào)，以及共模成分為直流或低頻（如50 或60 Hz 的供電線）的情況。在測(cè)量中等幅度的信號(hào)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可以有效地消除接地環(huán)路。

高電壓差分探頭。最近，市場(chǎng)上出現(xiàn)了高電壓有源差分探頭。一種采用固定衰減（帶可變換差分增益）的新的拓?fù)淇梢允惯@些探頭在所有的增益設(shè)置上保持其全部的共模范圍。這種單一的衰減器大大降低了復(fù)雜程度從而減少了用戶的成本。
這種探頭為測(cè)量線連電路（通常用于開關(guān)電源、功率變換器、電動(dòng)機(jī)、電燈鎮(zhèn)流器等）提供了費(fèi)用合理而又安全的方法。由于共模范圍高達(dá)1,000 V，這種探頭就不需要極其危險(xiǎn)的“浮動(dòng)示波器”的做法。最近，工作場(chǎng)所意外傷害監(jiān)控組織，如美國(guó)的OSHA（職業(yè)安全和健康條例），強(qiáng)化了他們對(duì)設(shè)備接地的檢查，違者將課以高額罰款。
除了安全上的好處之外，這種探頭還可改進(jìn)測(cè)量質(zhì)量。一個(gè)明顯的好處是能夠充分利用示波器的多個(gè)通道來(lái)同時(shí)觀察涉及不同電壓的多個(gè)信號(hào)。由于這是真正的差分探頭，故兩個(gè)輸入端均為高阻抗，即高電阻和低電容。浮動(dòng)示波器和隔離器不具有平衡式的輸入。參考點(diǎn)（探頭上的“接地”夾）有相當(dāng)大的對(duì)地電容。參考點(diǎn)所連接的任何源阻抗在快速共模躍遷過(guò)程中都會(huì)承受負(fù)荷，并使信號(hào)衰減。

圖10. 即便示波器處于“浮動(dòng)”狀態(tài)，寄生電容也會(huì)形成交流分壓器從而增加測(cè)量的誤差。注意：回動(dòng)的探頭引線會(huì)給柵極增加>100 pF 的電容，有可能破壞電路。

更有甚者，高電容還可能損壞某些電路（參見(jiàn)圖10）。將示波器的公共端接到逆變器上部的柵極可以使柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)滯后，阻礙器件的關(guān)斷并破壞輸入橋。這種故障通常還會(huì)在工作臺(tái)上出現(xiàn)小火花，很多功率電子器件的設(shè)計(jì)人員都可以作證。
使用平衡的低輸入電容的高壓差分探頭，可以用任何引線安全地探測(cè)電路上的任一點(diǎn)。
高增益差分放大器。高增益差分放大器經(jīng)常屬于外接附件，可以使示波器測(cè)量幅度極低的信號(hào)，甚至小到幾個(gè)微伏。為了避免因接地環(huán)路和接地梯度效應(yīng)造成的破壞，這些信號(hào)總是以差分方式進(jìn)行測(cè)量的，即便它們是以地為參考。當(dāng)源不以地為參考時(shí)，共模信號(hào)可以比有用的差模信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，這些放大器的CMRR值極高，經(jīng)常達(dá)到1,000,000:1 或者更高。
有些高增益放大器還具有可以改善低幅度測(cè)量完整性的附加功能?？蛇x的低通濾波功能可以使用戶從低頻信號(hào)中去除頻帶外噪聲。差分偏移功能可用于消除引入到輸入配線或傳感器橋的偏置電壓中的伽伐尼電位。為了能用于高驅(qū)動(dòng)阻抗的信號(hào)源，有些型號(hào)還允許用戶將輸入設(shè)定在幾乎無(wú)限大的阻抗上。
對(duì)任何差分放大器來(lái)說(shuō)，通道增益最輕微的不匹配都會(huì)使放大器的高CMRR值大大降低。當(dāng)應(yīng)用中需要使用示波器探頭時(shí)，只能使用相同的非衰減模式（1X），因?yàn)樗p的探頭可能匹配得不夠好，不足以保持CMRR 值。
高性能差分放大器。帶有插入式放大器的示波器的出現(xiàn)使得高性能差分放大器的使用成為可能。這種放大器綜合了許多特性，適合于多種應(yīng)用。校準(zhǔn)的偏壓補(bǔ)償可以使該放大器用于單端模式，其軌跡可以參考距地幾千個(gè)分度的位置。
這樣就有可能精確地測(cè)量電源中的波紋谷值以及功率放大器的凈空度。最先進(jìn)的高速鉗位電路能使放大器從超標(biāo)幾百倍的輸入過(guò)載中迅速恢復(fù)。這就提供了直接測(cè)量放大器和DAC電路的穩(wěn)定時(shí)間的可能性。

這種放大器的特點(diǎn)是帶寬指標(biāo)高達(dá)100 MHz以上，CMRR特性也很好。但是CMRR 指標(biāo)是在兩個(gè)輸入端直接連在一起而且用低阻抗信號(hào)源驅(qū)動(dòng)的情況下獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)源阻抗和通道增益的差異會(huì)使高頻時(shí)CMRR 值明顯降低。
差分無(wú)源探頭。為了盡量減少性能的退化，這些放大器只能使用特別匹配的差分無(wú)源探頭。要保證按照探頭制造商給出的程序針對(duì)該放大器對(duì)探頭進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。
高帶寬有源差分探頭。這種探頭在其觸點(diǎn)處對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖，以此保持高頻CMRR 的質(zhì)量，故可消除無(wú)源探頭導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題。這種探頭具有高帶寬（100 MHz 以上）、高靈敏度，而且有極佳的高頻CMRR 性能。這種探頭一般用于測(cè)量磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀出電路（其信號(hào)本質(zhì)上是差分信號(hào)）。由于在查找地面反跳問(wèn)題時(shí)不會(huì)改變接地梯度，這種探頭在探查高速數(shù)字電路時(shí)得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。
電壓隔離器。盡管電壓隔離器不是真正的差分放大器，但它們提供了安全地測(cè)量浮動(dòng)電壓的一種手段。與差分放大器相比，隔離器也有一些折衷的優(yōu)勢(shì)，選擇哪一種則取決于應(yīng)用。如其名稱所示，隔離器并不直接連接浮動(dòng)的輸入端與接地的輸出端。信號(hào)的耦合是通過(guò)光學(xué)