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差分探头的具体概念以及工作原理是什么?

2020-05-19  小草供销社
        差分探头介绍
  一.什么是差分探头
  差分探头,DifferentialProbes,是探头的一种,差分探头是利用差分放大原理设计出来的示波器探头,是现代示波器的主流配件之一。常见的差分探头有两类,一类针对低压信号,这种差分信号在高速数字电路中比较常见,这一类差分探头的测量电压一般幅值为±8V,带宽一般在1GHz以上。另一类高压差分探头是专门针对高压测量的,测量电压达到上千伏,在电源测量中这种差分信号较为常见。高压差分探头测量电压一般在KV级别,带宽一般在20MHz—100MHz范围内。
  二.为什么我们需要差分探头
  差分探头主要用于观测差分信号。差分信号是相互参考、而不是以地作为参考点的信号。普通的单端探头也可以测量差分信号,但得到的信号与实际信号相差很大,有可能出现“地弹”现象。此外,电源系统测试中经常要求测量两火或火零之间的相对压差,很多用户直接使用单端探头测量导致探头仪器被烧毁。这是因为达到或疏示波器的信号公共线与保护性地线相连接地。这样做的结果是所有加到示波器上,以及由示波器提供的信号都具有一个公共连接点。该公共连接点通常是示波器机壳通过使用交流电源设备电源线中的第三根导线地线,将探头地线连到一个测试点上,如果这时使用单端探头测量,那么单端探头的地线与供电线直接相连,后果必然是短路。这种情况下,我们需要差分探头进行浮地测量。
  三.差分探头的优点
  差分信号和普通的单端信号走线相比,最明显的优势体现在以下三个方面:
  1.抗干扰能力强,因为两根差分走线之间的耦合很好,当外界存在噪声干扰时,几乎是同时被耦合到两条线上,而接收端关心的只是两信号的差值,所以外界的共模噪声可以被最大程度抵消。
  2.能有效抑制EMI,同样的道理,由于两根信号的极性相反,他们对外辐射的电磁场可以相互抵消,耦合的越紧密,泄放到外界的电磁能量越少。
  3.时序定位精确,由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点,而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断,因而受工艺,温度的影响小,能降低时序上的误差,同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS就是指这种小振幅差分信号技术。
  四.差分探头的工作原理
   差分探头主要由衰减网络,差分信号转单端信号输出,电源电路,偏置电路,驱动电路组成,其常见原理框图如下:
  差分探头常见原理框图
  五.差分探头的三大重要指标
  1.带宽:探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7%(-3dB)的频率。在幅度测量中,随着正弦波频率接近带宽极限,正弦波的幅度会衰减的越来越厉害。为实现最大的幅度测量精度,必须选择带宽比被测波形频率高几倍的示波器和探头。这种情况同样适用于测量波形的上升和下降时间。波形转换沿是由高频成分组成,带宽极限使这些高频成分发生衰减,导致显示的转换慢于实际转换速度。为精准地测量上升时间和下降时间,探头和测试设备也必须拥有充足的带宽以保持构成波形上升和下降时间的高频成分。
  2.CMRR(共模抑制比):共模抑制比是指差分探头在差分测量中抑制两个测试点共模信号干扰的能力。其公式为CMRR=|Ad/Ac|。其中Ad为差分信号的电压增益,Ac为共模信号的电压增益。在理想情况下,Ad应该很大而Ac应该等于0,因此CMRR无穷大。在实际情况中,10000:1的CMRR已经是非常好的了。由于CMRR随着频率提高而下降,因此注意CMRR的频率限制与CMRR值一样重要。
  3.畸变:畸变是输入信号预计响应或理想响应的任何幅度偏差。在实践中快速波形转换之间通常会发生畸变,其表现为减幅振荡。差分探头的差分输入线很长,如果差分探头的这个指标不好,那么测量的信号就容易产生畸变。除此三大指标外,还有输入阻抗,输入电容,衰减系数等指标,市面上的各厂家产品差别不大,这里就不一一叙述了。
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