差分探头校准

差分探头是示波器的一种测量探头。差分探头因此成为现代示波器的主流配件。

差分探头
差分探头

差分测量特点

探头从总体上可分为无源探头和有源探头两大类型,而宽带宽示波器和有源探头的用户还需要在单端探头和差分探头之间还要做出选择。承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。本文主要讲的是差分探头。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。


差分信号的结构特点要求对应的测试设备也必须是差分拓扑,差分探头因此成为现代示波器的主流配件。

工作原理

差分放大原理是指一对信号同时输入到放大电路中,然后相减,得到原始信号。差分放大器是由两个参数特性相同的晶体管用直接耦合方式构成的放大器。若两个输入端上分别输入大小相同且相位相同的信号时,输出为零,从而克服零点漂移。

差分探头3大重要指标

带宽

带宽 (通用):所有探头都有带宽。探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7% 。在选择示波器和示波器探头时,要认识到带宽在许多方面影响着测量精度。在幅度测量中,随着正弦波频率接近带宽极限,正弦波的幅度会变得日益衰减。在带宽极限上,正弦波的幅度会作为实际幅度的70.7% 进行测量。因此,为实现最大的幅度测量精度,必需选择带宽比计划测量的最高频率波形高几倍的示波器和探头。

这同样适用于测量波形上升时间和下降时间。波形转换沿(如脉冲和方形波边沿)是由高频成分组成的。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。为精确地测量上升时间和下降时间,使用的测量系统必需使用拥有充足的带宽,可以保持构成波形上升时间和下降时间的高频率成份。最常见的情况下,使用测量系统的上升时间时,系统的上升时间一般应该比要测量的上升时间快2倍以上。(-3 dB)的频率。

在选择示波器和示波器探头时,要认识到带宽在许多方面影响着测量精度。在幅度测量中,随着正弦波频率接近带宽极限,正弦波的幅度会变得日益衰减。在带宽极限上,正弦波的幅度会作为实际幅度的70.7% 进行测量。因此,为实现最大的幅度测量精度,必需选择带宽比计划测量的最高频率波形高几倍的示波器和探头。

这同样适用于测量波形上升时间和下降时间。波形转换沿(如脉冲和方形波边沿)是由高频成分组成的。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。为精确地测量上升时间和下降时间,使用的测量系统必需使用拥有充足的带宽,可以保持构成波形上升时间和下降时间的高频率成份。最常见的情况下,使用测量系统的上升时间时,系统的上升时间一般应该比要测量的上升时间快2倍以上。 在开关电源领域,一般50MHz的带宽就基本够用了。

CMRR

CMRR (共模抑制比):共模抑制比(CMRR)是指差分探头在差分测量中抑制两个测试点共模信号信号的能力。这是差分探头的关键指标,其公式为:CMRR = |Ad/Ac|。其中:Ad = 差分信号的电压增益。Ac = 共模信号的电压增益。在理想情况下,Ad 应该很大,而Ac 则应该等于0,因此CMRR 无穷大。在实践中,10,000:1 的CMRR 已经被看作非常好了。这意味着将抑制5 V 的共模输入信号,使其在输出上显示为0.5 毫伏。由于CMRR 随着频率提高而下降,因此指定CMRR 的频率与CMRR 值一样重要。CMRR对于测量全桥或者半桥电路的上管驱动波时,显得尤为重要,这也是高压差分探头测量这类信号时的难点。

畸变

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,在快速波形转换 
之间通常会立即发生畸变,其表现为所谓的“减幅振荡”。差分探头的两个差分输入线非常长,常见的有30cm左右,如果差分探头这个指标设计不好,那么测量
差分探头分类
常见的差分探头有两类:有一类是针对低压信号的,在高速的数字电路中这种差分信号比较常见,这一类差分探头的测量电压常见的幅值是±8V,带宽一般在1GHz以上;另一类是专门针对高压测量的,测量电压高达上KV,在开关电源测量中这种差分信号比较常见,这类差分探头叫高压差分探头,测量电压一般在KV级别,带宽在20MHz—100MHz范围内比较常见。

用途

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。
高压差分探头应用

高压差分探头主要是针对浮地系统的测量。电源系统测试中经常要求测量三相供电中的火线与火线,或者火线与零(中)线的相对电压差,很多用户直接使用单端探头测量两点电压,导致探头烧毁的现象时有发生。这是因为:大多数示波器的“信号公共线”终端与保护性接地系统相连接,通常称之为“接地”。这样做的结果是:所有施加到示波器上,以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用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。

操作方法

差分探头PINTECH为例
其可分为两部分。差分探头外观如下:
差分探头外观

A.输出端: BNC输出端子和辅助接地端子用于连接示波器。
B.输入端: 差分探头输入端用于连接探头测试夹。
C.测试夹: 测试夹用于安全的连接到电路中的测试点


 差分探头校准选择品信检测,品信检测于2013年成立,是一家从事计量仪器校准、检测、校验、校正服务的第三方校准机构,具有独立法人资格。2016年通过了中国合格评定国家认可委员会(CNAS)的认可,认可证书号:L9269。2015年通过当地质量技术监督局的考核,并建立了企业最高计量标准。

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