什么是高壓差分探頭

示波器探頭的種類很多，其中高壓差分探頭在開關(guān)電源應(yīng)用中十分廣泛，然而市場(chǎng)上差分探頭生產(chǎn)廠家也不少，性能指標(biāo)各不相同，造成測(cè)出的波形也不盡相同，工程師無(wú)法看到正確波形。

使用任何示波器探頭時(shí)，您需要連接到電路上的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量它們之間的電壓差。 對(duì)于單端探頭，其中一個(gè)點(diǎn)必須是“地”，該點(diǎn)主要通過(guò)示波器連接到大地。但是，單端探頭的問(wèn)題之一是，當(dāng)承載信號(hào)的導(dǎo)線拾取電背景噪聲時(shí)，可能會(huì)遇到噪聲或接地反彈問(wèn)題。

當(dāng)使用任何探頭時(shí)，需要將兩個(gè)探針輸入連接到一個(gè)電路，以測(cè)量它們之間的電壓差。

示波器探頭單端測(cè)量是指輸入信號(hào)與地之間的電壓差。對(duì)于單端探頭，其中一個(gè)點(diǎn)必須“接地”。差值被輸入到示波器的輸入。單端輸入可能會(huì)受到噪聲或地面反彈問(wèn)題，因?yàn)閿y帶信號(hào)的導(dǎo)線拾取了電子背景噪聲。

下面我們講述高壓差分探頭的主要指標(biāo)和相關(guān)使用技巧。

什么是差分探頭?

差分探頭(Differential Probes)是示波器探頭的一種，差分探頭是利用差分放大原理計(jì)出來(lái)的示波器探頭。

差分信號(hào)是什么意思？

了解差分探頭，也要了解什么是差分信號(hào)。差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相同，相位相反。

在這兩根線上的傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。差分信號(hào)是互相參考，而不是參考接地的信號(hào)。

差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

• 首先，差分信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)噪聲出現(xiàn)時(shí)，由于噪聲是等值且同時(shí)作用在兩個(gè)信號(hào)線上，所以噪聲對(duì)兩個(gè)信號(hào)的影響是一樣的。此時(shí)兩個(gè)信號(hào)之間的差值和沒(méi)有干擾時(shí)的差值是一樣的，所以差分信號(hào)能保持原信號(hào)的邏輯值，這就是說(shuō)的它的抗干擾能力。
• 其次，差分信號(hào)能有效抑制電磁干擾（EMI）。這是因?yàn)閮筛€靠得很近，信號(hào)幅值相等，所以與地線的耦合電磁場(chǎng)的幅值也相等，但信號(hào)極性相反，這就像兩個(gè)相同大小但方向相反的矢量，他們會(huì)相互抵消，這就是為什么差分信號(hào)能有效抑制電磁干擾。
• 再者，差分信號(hào)的時(shí)序定位準(zhǔn)確。接收端以兩根線上的信號(hào)幅值之差發(fā)生正負(fù)跳變的點(diǎn)，作為判斷邏輯0/1跳變的點(diǎn)的。這就是為什么我們說(shuō)差分信號(hào)的時(shí)序定位準(zhǔn)確。

差分信號(hào)的缺點(diǎn)

• 首先，它需要兩根線，這可能會(huì)使布線變得復(fù)雜。
• 其次，差分走線必須是等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。

差分探頭的主要指標(biāo)

探頭帶寬

探頭帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%(-3 dB)的頻率。在選擇示波器和示波器探頭時(shí)，要認(rèn)識(shí)到帶寬在許多方面影響著測(cè)量精度。在幅度測(cè)量中，隨著正弦波頻率接近帶寬極限，正弦波的幅度會(huì)變得日益衰減。在帶寬極限上，正弦波的幅度會(huì)作為實(shí)際幅度的70.7% 進(jìn)行測(cè)量。因此，為實(shí)現(xiàn)*大的幅度測(cè)量精度，必需選擇帶寬比計(jì)劃測(cè)量的*高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測(cè)量波形上升時(shí)間和下降時(shí)間。波形轉(zhuǎn)換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發(fā)生衰減，導(dǎo)致顯示的轉(zhuǎn)換慢于實(shí)際轉(zhuǎn)換速度。為**地測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用的測(cè)量系統(tǒng)必需使用擁有充足的帶寬，可以保持構(gòu)成波形上升時(shí)間和下降時(shí)間的高頻率成份。*常見的情況下，使用測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的上升時(shí)間一般應(yīng)該比要測(cè)量的上升時(shí)間快4-5 倍。在開關(guān)電源領(lǐng)域，一般50MHz的帶寬就基本夠用了。

CMRR (共模抑制比)

CMRR共模抑制比是什么意思?

共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，簡(jiǎn)寫CMRR，符號(hào)為Kcmr，單位是分貝db)是指差分探頭在差分測(cè)量中抑制兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)共模信號(hào)信號(hào)的能力。共模抑制比是差分增益(Ad)和共模增益(Ac)的功率比。它意味著在差動(dòng)探頭的輸出中會(huì)出現(xiàn)多少共模信號(hào)。這是差分探頭的關(guān)鍵指標(biāo)。

CMRR共模抑制比公式

其中：Ad?=?差分信號(hào)的電壓增益。Ac?=?共模信號(hào)的電壓增益。

在理想情況下，Ad?應(yīng)該很大，而Ac?則應(yīng)該等于0，因此CMRR無(wú)窮大。在實(shí)踐中，10,000:1?的CMRR已經(jīng)被看作非常好了。這意味著將抑制5V的共模輸入信號(hào)，使其在輸出上顯示為0.5毫伏。由于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(duì)于測(cè)量全橋或者半橋電路的上管驅(qū)動(dòng)波時(shí)，顯得尤為重要，這也是高壓差分探頭測(cè)量這類信號(hào)時(shí)的難點(diǎn)。

60Hz 時(shí) 80 dB CMRR 是什么意思? 這也就是10000:1的Vout/Vin振幅比，這意味著兩個(gè)引線共同的1000V, 60hz正弦波共模噪聲將減少到100 mV (=1000V * 1/10,000)轉(zhuǎn)移到示波器。

畸變是輸入信號(hào)預(yù)計(jì)響應(yīng)或理想響應(yīng)的任何幅度偏差。在實(shí)踐中，在快速波形轉(zhuǎn)換之間通常會(huì)立即發(fā)生畸變，其表現(xiàn)為所謂的“減幅振蕩”。差分探頭的兩個(gè)差分輸入線非常長(zhǎng)，常見的有50cm左右，如果差分探頭這個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)不好，那么測(cè)量的信號(hào)容易產(chǎn)生畸變。市場(chǎng)上不同廠家的差分探頭測(cè)出的結(jié)果可能不同，有的相差甚遠(yuǎn)，這個(gè)指標(biāo)就是其中原因之一。