中心議題：

• 差分測量的特點
• 對於共模信號的測量，差分探頭更加準確
• 在電源測試中，能做到安全的浮地測量

上文講到，探頭從總體上可分為無源探頭和有源探頭兩大類型，而寬帶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做出選擇。單端探頭測量的是信號對“地”的參考電壓
，而測量兩路信號的相對電壓差（與地平麵無關），一般來說這兩路信號是相位相差180度du的de正zheng反fan電dian壓ya

，則ze需xu要yao使shi用yong差cha分fen探tan頭tou。本ben質zhi上shang
，單dan端duan探tan頭tou也ye是shi一yi種zhong特te殊shu的de差cha分fen探tan頭tou，因yin為wei測ce量liang的de是shi信xin號hao與yu地di平ping麵mian的de相xiang對dui電dian勢shi差cha
，所suo以yi理li論lun上shang用yong戶hu也ye可ke以yi隻zhi買mai差cha分fen探tan頭tou來lai覆fu蓋gai所suo有you差cha分fen信xin號hao和he單dan端duan信xin號hao的de測ce量liang需xu求qiu，但dan多duo方fang麵mian的de因yin素su又you製zhi約yue了le這zhe種zhong可ke能neng性xing
，與yu單dan端duan探tan頭tou相xiang比bi，差cha分fen探tan頭tou價jia格ge更geng貴gui，使shi用yong也ye較jiao不bu方fang麵mian

，需xu要yao額e外wai的de電dian源yuan。

那單端探頭能否從理論上代替差分探頭的功能呢？ 答(da)案(an)是(shi)否(fou)定(ding)的(de)，不(bu)僅(jin)僅(jin)是(shi)因(yin)為(wei)價(jia)格(ge)或(huo)使(shi)用(yong)方(fang)便(bian)性(xing)的(de)因(yin)素(su)
，更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)技(ji)術(shu)層(ceng)麵(mian)，差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)測(ce)試(shi)的(de)應(ying)用(yong)特(te)點(dian)決(jue)定(ding)了(le)很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)隻(zhi)有(you)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)而(er)非(fei)單(dan)端(duan)探(tan)頭(tou)才(cai)能(neng)勝(sheng)任(ren)這(zhe)一(yi)工(gong)作(zuo)。這(zhe)包(bao)括(kuo)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)表(biao)現(xian)形(xing)式(shi)、共模抑製能力
、安全的浮地電源測量等等。

1、差分測量特點
計算機、通信
、消xiao費fei類lei電dian子zi工gong業ye的de快kuai速su發fa展zhan推tui動dong著zhe信xin號hao傳chuan輸shu率lv不bu斷duan提ti高gao，也ye推tui動dong著zhe越yue來lai越yue多duo的de信xin號hao協xie議yi從cong單dan端duan拓tuo撲pu結jie構gou轉zhuan向xiang差cha分fen拓tuo撲pu結jie構gou
，何he為wei差cha分fen信xin號hao？通tong俗su地di說shuo，就jiu是shi芯xin片pian驅qu動dong端duan發fa送song兩liang個ge等deng值zhi、反相的信號
，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。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麵：

a.抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang，因yin為wei兩liang根gen差cha分fen走zou線xian之zhi間jian的de耦ou合he很hen好hao，當dang外wai界jie存cun在zai噪zao聲sheng幹gan擾rao時shi
，幾ji乎hu是shi同tong時shi被bei耦ou合he到dao兩liang條tiao線xian上shang，而er接jie收shou端duan關guan心xin的de隻zhi是shi兩liang信xin號hao的de差cha值zhi，所suo以yi外wai界jie的de共gong模mo噪zao聲sheng可ke以yi被bei最zui大da程cheng度du抵di消xiao。

b.能有效抑製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。

c.時(shi)序(xu)定(ding)位(wei)精(jing)確(que)，由(you)於(yu)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)的(de)開(kai)關(guan)變(bian)化(hua)是(shi)位(wei)於(yu)兩(liang)個(ge)信(xin)號(hao)的(de)交(jiao)點(dian)
，而(er)不(bu)像(xiang)普(pu)通(tong)單(dan)端(duan)信(xin)號(hao)依(yi)靠(kao)高(gao)低(di)兩(liang)個(ge)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)判(pan)斷(duan)，因(yin)而(er)受(shou)工(gong)藝(yi)，溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)小(xiao)
，能(neng)降(jiang)低(di)時(shi)序(xu)上(shang)的(de)誤(wu)差(cha)，同(tong)時(shi)也(ye)更(geng)適(shi)合(he)於(yu)低(di)幅(fu)度(du)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)路(lu)。目(mu)前(qian)流(liu)行(xing)的(de) LVDS（low voltage differential signaling）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。下圖1是典型的有源差分探頭電路結構圖：

針對高頻信號測試，有源差分探頭的主要好處是低輸入電容、比單端探頭抑製共模噪聲的能力要高很多
，其缺點主要體現在價格普遍較高以及需要額外的電源。比如力科公司的WaveLink係列高帶寬差分探頭即是這類探頭的代表。

2
、差分探頭具有高的共模抑製比
什麼是共模抑製比，簡單來說，就是差動放大電路中對信號共模成分的抑製能力，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數Adm與對共模信號的電壓放大倍數Acm之比，英文全稱是Common Mode Rejection Ratio
，一般用簡寫CMRR來表示。
我們可以這樣定義：兩個輸入端分別對地的電壓平均值為共模電壓Vcm，經過差動放大器後的增益為共模增益Acm；兩個輸入端之間的相對電壓差為差模電壓Vdm
，其經過差模放大器之後的增益為Adm。CMRR計算公式如下： 差模信號電壓增益Adm越大，共模增益Acm越小，則CMRR越大。此時差分放大電路抑製共模信號的能力越強
，放大器的性能越好。當差動放大電路完全對稱時
，共模信號電壓放大倍數Acm=0，則共模抑製比CCMR→∞，這是理想情況，實際上電路完全對稱是不存在的，共模抑製比也不可能趨於無窮大。

哪些因素會影響探頭的共模抑製比呢？

a.電路對稱性——電路的對稱性決定了被放大後的信號殘存共模幹擾的幅度
，電路對稱性越差，其共模抑製比就越小
，抑製共模信號（幹擾）的能力也就越差。

b.信號頻率或者Dv/Dt

c.任何探頭或儀器輸入的不匹配。

很顯然，CMRR值越大越好

，一般在60dB(1000:1)左右，但隨著頻率增加CMRR會逐漸減少。因為越快的信號邊沿越容易再正負兩端產生偏差

，因而也會帶來更多的共模電壓，如下圖所示。 CMRR為什麼很重要
，因為差分探頭的CMRR指標若不好，則共模電壓會加入差分電壓內，造成測量上的誤差，下麵為一實例： 該示例說明，200:1的共模抑製比顯然是不夠的，優異的差分探頭CMRR指標必須遠高於這個值才能保證測量結果的準確度，比如力科公司的ADP305高壓差分探頭CMRR為80dB(10000:1)，而差分放大器DA1855A 的CMRR指標更是高達100dB(100000:1)，能充分滿足高精度差分電壓測試的需要。

單端探頭的CMRR指標為什麼很難做高？單端探頭模型表明了探頭放大器到“大地”dixianzhijianyouyigejishengdianzuhejishengdiangan，zhelianggeyuanjiangouchengleyoutantoudianlanpingbicenghedadidixianzuchengdechuanshuxiansuochanchudetexingzukang。zheyitexingzukangshihenzhongyaode
，yinweidangnigeidanduantantoujiayigegongmoxinhaoshi
，dixiandianganzhijiuyuzheyitexingzukangyiqizuchengleyigefenyaqi。cifenyaqiduidaodafangdaqidedixianxinhaoqishuaijianzuoyong。youyufangdaqidexinhaohedixianshuruxinhaoshoudaodeshuaijiangebuxiangtong
，zaifangdaqideshuruduanshangjiuchuxianleyigejingxinhao，congershifangdaqiyoushuchuxinhao。dixiandianganyueda，gongmoyizhinengliyuedi，suoyidangshiyongdanduantantoushi，baochidixianjinliangduanshihenzhongyaode。

dangnigeichafentantoujiashangyigegongmoxinhaoshi
，fangdaqidezhengfulianggeshuruduandouyoutongyigexinhao。suochanshengdeweiyishuchuxinhaoshigaifangdaqiyizhitexingdehanshu
，tayulianxiandianganwuguan。yinci，zaicunzaihendadegongmozaoyinshi，yongchafentantoulaicelianggengweijingque。zheshichafentantouyudanduantantouzhijianhendianxingdequbie

，chufeidanduantantoudejiedilianjiededianganfeichangxiao，erzheyidianzaishijishijianzhongshihennanzuodaode。suoyishijidechafentantouCMRR一般都優於單端探頭。

3、安全的浮地測量
電源係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”終端與保護性接地係統相連接，通常稱之為“接地”。這樣做的結果是：所(suo)有(you)施(shi)加(jia)到(dao)示(shi)波(bo)器(qi)上(shang)，以(yi)及(ji)由(you)示(shi)波(bo)器(qi)提(ti)供(gong)的(de)信(xin)號(hao)都(dou)具(ju)有(you)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)的(de)連(lian)接(jie)點(dian)。該(gai)公(gong)用(yong)連(lian)接(jie)點(dian)通(tong)常(chang)是(shi)示(shi)波(bo)器(qi)機(ji)殼(ke)，通(tong)過(guo)使(shi)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)設(she)備(bei)電(dian)源(yuan)線(xian)中(zhong)的(de)第(di)三(san)根(gen)導(dao)線(xian)源(yuan)線(xian)地(di)線(xian)
，並(bing)將(jiang)探(tan)頭(tou)地(di)線(xian)連(lian)到(dao)一(yi)個(ge)測(ce)試(shi)點(dian)上(shang)。單(dan)端(duan)探(tan)頭(tou)的(de)地(di)線(xian)與(yu)供(gong)電(dian)線(xian)直(zhi)接(jie)相(xiang)連(lian)

，後(hou)果(guo)必(bi)然(ran)是(shi)短(duan)路(lu)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)浮(fu)地(di)測(ce)量(liang)。

所謂“浮地”測量，即測量的兩個點都不處於接地電位，這是一種典型的差分測量。“信號公共線”與地之間的電壓可能會升高到數百伏。

此(ci)外(wai)，許(xu)多(duo)差(cha)分(fen)測(ce)量(liang)還(hai)要(yao)求(qiu)抑(yi)製(zhi)高(gao)共(gong)模(mo)信(xin)號(hao)
，以(yi)便(bian)於(yu)評(ping)估(gu)低(di)電(dian)平(ping)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)
，多(duo)餘(yu)的(de)接(jie)地(di)電(dian)流(liu)還(hai)會(hui)產(chan)生(sheng)煩(fan)人(ren)的(de)嗡(weng)嗡(weng)聲(sheng)和(he)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)。用(yong)戶(hu)常(chang)常(chang)借(jie)助(zhu)那(na)些(xie)存(cun)在(zai)潛(qian)在(zai)危(wei)險(xian)的(de)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)。

通過切斷標準三頭AC插(cha)座(zuo)地(di)線(xian)的(de)方(fang)法(fa)或(huo)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)交(jiao)流(liu)隔(ge)離(li)變(bian)壓(ya)器(qi)
，切(qie)斷(duan)中(zhong)線(xian)與(yu)地(di)線(xian)的(de)連(lian)接(jie)。將(jiang)示(shi)波(bo)器(qi)從(cong)保(bao)護(hu)地(di)線(xian)浮(fu)動(dong)起(qi)來(lai)，以(yi)減(jian)小(xiao)地(di)環(huan)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)其(qi)實(shi)並(bing)不(bu)可(ke)行(xing)
，因(yin)為(wei)在(zai)建(jian)築(zhu)物(wu)的(de)布(bu)線(xian)中(zhong)中(zhong)線(xian)也(ye)許(xu)在(zai)某(mou)處(chu)已(yi)經(jing)與(yu)地(di)線(xian)相(xiang)連(lian)，是(shi)不(bu)安(an)全(quan)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，會(hui)帶(dai)來(lai)l人身傷害
，儀器和電路損壞！

此ci外wai，它ta違wei反fan了le工gong業ye健jian康kang和he安an全quan規gui定ding
，且qie獲huo得de的de測ce量liang結jie果guo也ye差cha。而er且qie，交jiao流liu供gong電dian儀yi器qi在zai地di麵mian浮fu動dong時shi會hui出chu現xian一yi個ge大da的de寄ji生sheng電dian容rong。因yin此ci，浮fu動dong測ce量liang將jiang受shou到dao振zhen蕩dang的de破po壞huai。
總而言之，將示波器“浮地”非常糟糕的注意
，這將導致：
a.損壞被測器件
b. 損壞示波器
c.給人身帶來潛在傷害
d.導致很差的測量精度

問題該如何解決：

最zui佳jia解jie決jue辦ban法fa就jiu是shi使shi用yong高gao共gong模mo抑yi製zhi比bi的de差cha分fen探tan頭tou，因yin為wei兩liang個ge輸shu入ru端duan都dou不bu存cun在zai接jie地di的de問wen題ti，兩liang路lu輸shu入ru信xin號hao的de差cha分fen運yun算suan在zai探tan頭tou前qian端duan放fang大da器qi完wan成cheng，傳chuan輸shu到dao示shi波bo器qi通tong道dao的de信xin號hao是shi已yi差cha分fen後hou的de電dian壓ya，示shi波bo器qi無wu需xu去qu掉diao三san線xian插cha頭tou的de接jie地di端duan即ji可ke實shi現xian安an全quan的de浮fu地di測ce量liang。比bi如ru力li科ke公gong司si的deADP305高壓差分探頭即是安全測量三相市電的火線與火線、火線與中線間壓差的最佳探頭。