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示波器差分和单端有源电压探头性能比较-共模抑制问题

  发布时间: 2021-06-28      浏览量:186
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       过去在使用高带宽示波器和有源探头进行测量时,您可以选择单端探头,也可以选择差分探头。一般是用单端探头测量单端信号 ( 对地电压 ),用差分探头测量差分信号 ( 正电压-负电压 )。虽然也可以只买差分探头,用差分探头测量差分信号和单端信号,但出于一些实际考虑,多数人并不这样做。理由是,与单端探头相比,差分探头通常价格更高和更难以使用,而且带宽更小。

 

       InfiniiMax 探头系统既可用于差分检测,又可用于单端检测,从而很大程度上排除了过去拒绝使用差分探头的理由。新的探头系统使用可更换的探头前端,这些前端特别适用于手动点测、插孔连接和焊入连接等测量方式。

 

       对于这种新的探测方式,您需要确定是用差分探头还是单端探头测量单端信号。为作出最好的决定,您需要考虑差分探头与单端探头在性能和可用性方面的优缺点。

       本应用指南从共模抑制问题分析差分探头和单端探头的性能优缺点 :

       共模抑制是差分探头和单端探头都存在的问题。对差分探头来说。共模抑制使加至 + 和 - 探头输入的相同信号不产生输出。对单端探头来说,共模抑制使加至信号输入和接地输入的相同信号不产生输出。


示波器差分探头.png

图 1. 差分探头和单端探头的简化模型


       差分探头和单端探头模型 ( 图 1) 显示了从探头衰减器 / 放大器接地到“大地”的电阻和电感。这是由探头电缆屏蔽层和大地构成的传输线 ( 或天线 ) 所造成阻抗的简化模型。这一“外模式”阻抗是非常重要的,因为在单端探头上施加共模信号时,地电感就与该外模式阻抗构成分压器,从而衰减了放大器得到的地信号。由于放大器的信号输入没有得到与地输入同样的衰减,这就在放大器的输入端造成一个净信号,并由此产生一个输出。地电感越高,共模抑制就越低,因此您在使用单端探头时,务必使地线尽可能短。还应注意该外模式信号并不直接影响“内模式”信号 ( 即同轴电缆内的正常探头输出信号 ),但反射的外模式信号将影响探头放大器的地,从而间接影响内模式信号。“测量可重复性”部分对此有进一步的说明。

       当共模信号施加至差分探头时,在 + 和 - 输入端至衰减器 /放大器上可看到同样的信号。所产生的输出将由放大器共模抑制决定,而并非由连接电感造成。


单端探头.png

图 2. 差分探头和单端探头的共模响应

       当您检测含有共模噪声的单端信号时,需要确定是差分探头还是单端探头有更好的共模抑制能力。这取决于单端探头的接地连接电感,以及差分探头中放大器的共模抑制能力。对于本例中的差分和单端探头前端,图 2 显示差分探头的共模抑制要比单端探头高得多,因此在高共模噪声环境中能够进行更好的测量。这是两种探头最常见的情况,除非单端探头有极低电感的接地连接,但这在现实中是难以实现的。应注意这里分析的单端探头,其共模抑制能力远好于其他许多单端探头,因为它的地线很短。图 2 中的共模响应定义为 :

       差分共模响应 = 20[log(voc/vic)]

       这里 vic 是 + 和 - 输入的公共电压

       Voc 是施加 vic 时探头输出处的电压

       单端共模响应 = 20[log(voc/vic)]

       这里 vic 信号输入和地输入的公共电压

       voc 是施加 vic 时探头输出处的电压


差分探头.png

图 3. 差分探头和单端探头的输入阻抗


输入负载效应比较

       如果您用差分探头前端和单端探头前端的电感和电容值分析图 1 中的电路模型,您将发现从单端源看过去的各探头前端输入阻抗没有多少差别。分析的另一方面是了解外模式阻抗如何影响差分和单端探头。在单端探头放大器模型中,外模式阻抗要比接地连接阻抗高得多 ( 由于存在 lg),因此它对输入阻抗并没有明显影响。但由于存在外模式阻抗,进入差分探头的单端信号将看到较高频率比较低频率有略低的容抗值。

       图3是差分探头和单端探头的输入阻抗 ( 幅值 ) 图。红色轨迹是施加差分源时所看到的差分探头阻抗。绿色轨迹是施加单端源时看到的差分探头阻抗,蓝色轨迹是施加单端源时看到的单端探头阻抗。图 3 中标注了这三种情况的直流电阻、电容和最小电感值。应注意差分探头和单端探头对单端信号的输入阻抗很类似。

       以上就是普科科技PRBTEK从共模抑制问题比较差分探头和单端探头的性能和可用性的优缺点 。由于地跳、串扰和 EMI 问题,电子行业正在用差分信号取代单端信号。对于在这一新领域中使用的测量设备,差分检测是必不可少的要求。因为差分探头中信号连接之间的有效地平面比单端探头中的大多数实际地连接 ( 非同轴 ) 更为理想,所以差分探头对单端信号的测量比单端探头更好。新一代差分探头易于使用、性能高、价格低,您可用它们来检测差分信号和单端信号。如您再使用过程中有疑问,欢迎访问普科科技PRBTEK官网www.prbtek.com

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