在信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域，探頭作為引入信號(hào)的關(guān)鍵工具，不同類型的探頭適用于不同的測(cè)量場(chǎng)景。測(cè)量時(shí)，很多情況下都能直接用廠家送的探頭解決問題，那廠家力推的差分探頭有必要買嗎？
一、探頭類型概述
1、高阻無(wú)源探頭目前，我們隨設(shè)備送的探頭都是高阻無(wú)源探頭，它成本低，很耐造，是測(cè)量新手的首選。但是，
它同時(shí)具備了帶寬低、電容大、地環(huán)路大等劣勢(shì)，在高速信號(hào)、精密測(cè)量等領(lǐng)域還是略顯心有余而力不足。
2、有源單端探頭
這時(shí)候，就該上有源探頭。有源探頭里面又分單端、差分等。
有源單端探頭理解起來(lái)其實(shí)很簡(jiǎn)單，它彌補(bǔ)了贈(zèng)品探頭的劣勢(shì)，帶寬更高，電容更小，雖然靜電敏感、動(dòng)態(tài)范圍低、校準(zhǔn)又麻煩，屬于是和高阻無(wú)源探頭優(yōu)劣極限一換一，但對(duì)于高速信號(hào)測(cè)量可以手拿把掐了。
二、差分探頭的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
這么一看，高阻無(wú)源探頭的劣勢(shì)都已經(jīng)被彌補(bǔ)了，差分探頭好像沒有存在的意義了嗎？
有源單端探頭確實(shí)彌補(bǔ)了高阻無(wú)源探頭的劣勢(shì)，但這兩種探頭的測(cè)量核心目標(biāo)，都是“信號(hào)對(duì)地電壓”，它們的互補(bǔ)，只是在這同一個(gè)目標(biāo)下的互補(bǔ)。
而差分探頭的測(cè)量目標(biāo)則是“兩路信號(hào)的電壓差”，采用雙絞對(duì)稱走線，正負(fù)信號(hào)線長(zhǎng)度、阻抗嚴(yán)格匹配 。
比起一定要有個(gè)“參考地”的測(cè)量，思路可謂格外不同。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)能力，差分探頭并不是采用一路信號(hào)線、一路地線的走線方法，而是將正負(fù)信號(hào)線通過(guò)長(zhǎng)度、阻抗的嚴(yán)格匹配，采用雙絞對(duì)稱走線來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)測(cè)量的路徑分別通過(guò)探頭正端、副端進(jìn)入其內(nèi)部的差分放大器，再進(jìn)入示波器進(jìn)行顯示。
而差分探頭這種獨(dú)特的走線方式，也為其帶來(lái)了非常多的優(yōu)勢(shì)。
1、有效抑制EMI
首先，差分探頭能有效抑制EMI，在傳輸信號(hào)時(shí)，兩根信號(hào)線不同的極性會(huì)使其對(duì)外輻射的能量互相抵消一部分，從而有效降低EMI，如果周圍環(huán)境電磁敏感，那么差分探頭能降低干擾。
2、降低對(duì)工藝波動(dòng)和溫度變化的敏感性
其次，相較于單端信號(hào)依賴高低電平閾值進(jìn)行判斷的方式，差分信號(hào)的開關(guān)切換由兩路信號(hào)的交叉點(diǎn)觸發(fā)，這一機(jī)制顯著降低了對(duì)工藝波動(dòng)和溫度變化的敏感性，減少了時(shí)序誤差，同時(shí)在小幅度信號(hào)場(chǎng)景中展現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性。
3、浮地測(cè)量更安 全
此外，差分探頭還能讓浮地測(cè)量變得更加安全。我們之前講過(guò)，當(dāng)被測(cè)電路負(fù)極對(duì)地電壓不為零時(shí)，單端測(cè)試會(huì)導(dǎo)致地線和負(fù)極短路，從而無(wú)法測(cè)量。而差分探頭由于不引入對(duì)地回路，能更安 全地進(jìn)行差分測(cè)量。而這，在廣泛采用浮地元器件的電源行業(yè)，可謂重中之重。
4、共模抑制比更大
如果不理解共模抑制比，可以先放一邊。你先設(shè)想一下，如果外界的電磁輻射等干擾對(duì)差分探頭產(chǎn)生噪聲影響，由于差分探頭雙絞線長(zhǎng)度、阻抗均匹配，那么這些干擾會(huì)高度一致地在兩條信號(hào)線上分布，從而在接收端通過(guò)“相減”而被抵消，這就是差分探頭扛共模干擾的能力更強(qiáng)、共模抑制比更高的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)，也就是它，測(cè)得更準(zhǔn)。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
我們可以通過(guò)儀器來(lái)做一個(gè)不那么嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)對(duì)比一下A-B和差分探頭的差距。
選取鼎陽(yáng)科技SDS3000X HD系列數(shù)字示波器和SDG2000X任意波形發(fā)生器作為實(shí)驗(yàn)儀器。我們采用任意波形的通道1和通道2均輸出直流1V的直流電信號(hào)。其相減，其蕞大值應(yīng)該等于0V。
先采用A-B法進(jìn)行測(cè)試。用兩根高阻無(wú)源探頭將信號(hào)接入示波器的通道一和通道二，打開數(shù)學(xué)運(yùn)算，設(shè)置通道一減通道二，并進(jìn)行蕞大值測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為20mV左右。
再采用差分探頭進(jìn)行測(cè)量，其中，正極探針接在通道1上，負(fù)極探針接在通道2上，并進(jìn)行通道一蕞大值測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為4mV左右，差距很明顯。
當(dāng)然，由于任意波形發(fā)生器本身不是追求極 致功率精度和穩(wěn)定性的儀器，示波器自己內(nèi)部也還存在噪聲、誤差等，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能說(shuō)博您一笑，只要能您領(lǐng)會(huì)到我的意思就行。
說(shuō)回共模抑制比，它用于表征差分放大電路抑制共模信號(hào)及放大差模信號(hào)的能力，簡(jiǎn)單粗暴地理解，就是對(duì)兩個(gè)輸入端電壓差，即差模電壓的增益，比上兩個(gè)輸入端對(duì)地電壓平均值，即共模電壓的增益的比值。
列公式來(lái)看即：
CMRR=倍數(shù)*（正-負(fù)端口電壓差）/倍數(shù)（正端口對(duì)地電壓+負(fù)端口對(duì)地電壓）/2
顯然，差模增益越大，共模增益越小，共模抑制比就越大。而當(dāng)差分探頭的雙絞線完全對(duì)稱時(shí)，由于相減抵消，這個(gè)共模電壓的增益會(huì)變成0，導(dǎo)致導(dǎo)致共模抑制比變?yōu)闊o(wú)窮大，這是差分探頭的理想情況。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)生活中我們無(wú)法真正地做到電路完全對(duì)稱，所以蕞終，還是會(huì)有共模電壓留存，也就是我們剛才實(shí)驗(yàn)中測(cè)試出來(lái)導(dǎo)致結(jié)果非零的電壓。
四、結(jié)論
總結(jié)一下，差分探頭一共有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：EMI小、時(shí)序精準(zhǔn)、浮地測(cè)量安全、共模抑制比大。此外，差分探頭下面也分為兩類，有源差分探頭和高壓差分探頭，他們具有以上四個(gè)優(yōu)點(diǎn)的共性，但也有差異，以應(yīng)對(duì)于不同的場(chǎng)景。
有源差分探頭的帶寬可以做到很大，幾個(gè)G那是輕輕松松，對(duì)于高速信號(hào)測(cè)量更常見，但是動(dòng)態(tài)范圍很小，對(duì)于大電壓是“無(wú)能為力”的。
而高壓差分探頭的帶寬通常不會(huì)做的太大，100MHz已經(jīng)是很努力啦，但是通常能接受kV以上的高壓，在開關(guān)電源等領(lǐng)域中應(yīng)用十分常見，工程師可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的探頭。
來(lái)源：鼎陽(yáng)科技
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