怎樣正確使用單端測(cè)量和差分測(cè)量？

首先要討論這個(gè)問(wèn)題：怎樣消除不必要的共模噪聲信號(hào)?

我們先來(lái)看下面的電路，它包括一個(gè)信號(hào)源(紫色)，交流和直流分量產(chǎn)生總輸出Vsig，這是我們希望測(cè)量的信號(hào)。 此外，該電路還包含一個(gè)不需要的電壓源(綠色)，其中還有AC和DC分量加到Vcm。 Vcm表示共模電壓，這意味著同時(shí)添加到兩個(gè)測(cè)量端子的信號(hào)。

如下圖所示，使用單端探頭查看輸出和接地端子將導(dǎo)致顯示屏上的波形失真(Vsum)。 我們不能通過(guò)將探頭接地連接到Vsig的負(fù)端子來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@會(huì)通過(guò)示波器將Vcm短路到地，并可能導(dǎo)致?lián)p壞的電流流動(dòng)。 我們需要一個(gè)可以安全檢測(cè)Vsig并忽略Vcm的探針。

解決方案：使用一個(gè)有源差分探頭

如下所示，解決方案是將差分探頭連接到信號(hào)源的正極和負(fù)極。 探頭不測(cè)量共模電壓Vcm，只測(cè)量信號(hào)Vsig，因此Vsig是您在示波器顯示屏上看到的。

差分探頭可以測(cè)量連接到正極和負(fù)極引線的兩點(diǎn)之間的交流或直流電壓，這兩點(diǎn)都不接地。 這使得探針能夠進(jìn)行測(cè)量，其中單端探針不能，例如在遠(yuǎn)高于地電勢(shì)的電壓，并且所得到的測(cè)量專注于探針之間的電勢(shì)差。

差分探頭必須始終在其電壓限制內(nèi)工作(這些在下面的輸入范圍下解釋)。

使用探頭進(jìn)行單端測(cè)量

一個(gè)經(jīng)常被忽視的事實(shí)是，與無(wú)源單端探頭相比，主動(dòng)差分探頭優(yōu)于單端測(cè)量。 共模電壓和低電容的抑制導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)，例如較低的噪聲和較低的電路負(fù)載。 要進(jìn)行單端測(cè)量，正輸入引線與信號(hào)正常連接，負(fù)輸入引線連接到地。

帶寬

引用的帶寬告訴您儀器或探頭可以精確測(cè)量的信號(hào)的最大上升時(shí)間。 換句話說(shuō)，25 MHz示波器或探頭將允許低于25 MHz的頻率，并拒絕所有上述頻率。 它將顯示一個(gè)25 MHz的正弦波，但振幅誤差高達(dá)3 dB。 如果您的信號(hào)是25 MHz方波，上升時(shí)間要快得多，您需要更高的帶寬才能正確測(cè)量或顯示波形。 選擇正確帶寬的乘積的常見經(jīng)驗(yàn)法則是：

頻率(Hz)=0.35/上升時(shí)間(s) 還必須考慮示波器和探頭的組合上升時(shí)間。具有單獨(dú)上升時(shí)間 1和 2的兩個(gè)器件的組合上升時(shí)間is由下式給出：

這相當(dāng)于組合示波器和探頭的帶寬。 使用上述兩個(gè)公式來(lái)找出兩個(gè)器件的組合帶寬。

高壓測(cè)量通常包含具有非?？斓纳仙龝r(shí)間的快速脈沖(瞬變)。 為了精確測(cè)量或顯示這些信號(hào)，探頭和示波器的組合帶寬必須比基頻高幾倍。

我們的有源差分探頭和示波器的帶寬范圍為25 MHz至800 MHz。 不是所有的高壓儀器，因此請(qǐng)仔細(xì)檢查規(guī)格。

輸入范圍

在有源差分探頭規(guī)范中有三個(gè)主要范圍：差分模式范圍，共模范圍和絕對(duì)最大范圍。前兩個(gè)參考最大可測(cè)量電壓電平，這取決于應(yīng)用。第三個(gè)是可以施加的最大恒定無(wú)損電壓，不包括探頭可以承受的任何瞬態(tài)過(guò)電壓。

共模抑制比

確定探頭在直流電壓下具有足夠的共模范圍，還必須確保任何共模噪聲或信號(hào)不會(huì)進(jìn)入測(cè)量。共模噪聲可能由耦合到輸入引線中的電磁干擾以及被測(cè)器件(DUT)相對(duì)于示波器接地的噪聲和浪涌引起。連接示波器和DUT的接地有助于最小化這些噪聲電壓。

共模抑制比(CMRR)是探頭輸出上的電壓擾動(dòng)相對(duì)于輸入上的共模電壓的度量。 CMRR越高，探針與共模干擾隔離得越好。例如，您可能知道在DUT的地面上有1伏的噪聲。探頭的規(guī)范說(shuō)CMRR是100：1。結(jié)果是在輸出端可以看到相對(duì)于輸入高達(dá)10 mV的共模噪聲。 CMRR趨向于在DC處最高，然后隨著共模信號(hào)的頻率增加而下降。

電壓降額

探頭輸入的指定絕對(duì)最大電壓僅在直流和低交流頻率下有效。 在一定頻率以上，額定電壓開始下降。 稱為“降額”的這種效應(yīng)通常以電壓對(duì)頻率的曲線圖的形式指定。

在上述示例中，低頻下任一輸入上的絕對(duì)最大電壓為1000 V RMS。 在約3.3MHz時(shí)，電壓開始下降，直到在約25MHz時(shí)，其僅為150V RMS。 在實(shí)踐中，這很少是限制，因?yàn)楹苌僖黄鹫业礁哳l和高電壓 - 這樣的信號(hào)比它們測(cè)量更具挑戰(zhàn)性。

在高頻下使用探頭時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮電壓降額，因?yàn)槌^(guò)降額電壓可能會(huì)損壞探頭。

輸入電阻

在其差分輸入之間測(cè)量探頭的輸入電阻。當(dāng)將探頭連接到DUT時(shí)，可有效地將每個(gè)測(cè)試點(diǎn)通過(guò)一個(gè)高阻值電阻和一個(gè)小電容連接到地，從而在兩個(gè)輸入通過(guò)地之間建立一個(gè)路徑。這將導(dǎo)致一些差分電流在兩個(gè)輸入之間流動(dòng)以及從每個(gè)輸入流到地。然而，這些電流很小，它們可能會(huì)干擾被測(cè)電路，因此必須考慮這是否會(huì)顯著影響測(cè)量的精度。測(cè)量高阻抗電路時(shí)的效果更差。

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審核編輯黃宇