差分示波器測量

維持測量的完整性
測量的誤差源
像其他的測量方法一樣，差分測量也受到產(chǎn)生誤差的條件的制約。這些誤差在結果中也許很明顯，也許并非顯而易見(jiàn)，還有可能被誤認為是想要的測量結果。下面將討論一些比較常見(jiàn)的誤差源。為了了解產(chǎn)生誤差的原因和避免的方法，首先需要對差分示波器或探頭的內部運行情況有一個(gè)基本的了解。

系統的核心是差分放大級（參見(jiàn)圖14）。其圖示符號與運算放大器相同。差分放大器像運算放大器一樣可以抑制輸入的共模信號而只放大兩個(gè)輸入端的電壓差。與運算放大器不同的是，差分放大器具有已知的、有限的增益。在有些配置中，增益可由用戶(hù)選擇。輸出是單端的，而且以地為參照。為了獲得很高的阻抗，輸入部分常采用FET（場(chǎng)效應管）。輸入信號可以通過(guò)高阻抗的衰減器以便使大信號減小到放大器可以處理的范圍。對于衰減器的要求要比單端放大器高得多。兩端必須有相同的直流和交流衰減。衰減量的不匹配對CMRR具有第一位的影響。例如，為了保持100,000:1 的CMRR指標，衰減器的匹配度必須好于十萬(wàn)分之一（0.001%）；這樣就在差分放大器中不給誤差留下余地！當然，還需要從信號源開(kāi)始全程保持這種匹配度。

圖14. 帶衰減器的差分放大器簡(jiǎn)圖。

輸入連接
一般來(lái)說(shuō)，差分放大器或探頭與信號源的互連是產(chǎn)生誤差的最大來(lái)源。為了維持輸入的匹配，兩個(gè)通道應盡可能一樣。兩個(gè)輸入端的任何接線(xiàn)的都應長(cháng)度相同。如果使用探頭，其型號與長(cháng)度也應相同。在測量高共模電壓的低頻信號時(shí)，應避免使用帶衰減的探頭。在高增益時(shí)則完全不能使用這種探頭，因為不可能精地平衡它們的衰減量。當高電壓或高頻率的應用需要衰減時(shí)，應使用為差分放大器專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用無(wú)源探頭。這種探頭具有能精密調整直流衰減和交流補償的裝置。為獲得最佳的性能，每一個(gè)特定的放大器都應專(zhuān)用一套探頭，而且要根據這套探頭附帶的程序針對該放大器進(jìn)行校準。
一種常用的方法是將+ 和- 輸入纜線(xiàn)成對絞扭在一起。這樣可減少拾取線(xiàn)路頻率干擾和其他噪聲的可能。以間隔方式布線(xiàn)的輸入纜線(xiàn)（參見(jiàn)圖15）的作用相當于變壓器的一個(gè)線(xiàn)圈。穿過(guò)這個(gè)環(huán)路的任何交流磁場(chǎng)都會(huì )感應出一個(gè)電壓，此電壓作為差分成分出現在放大器的輸入端，而且會(huì )如實(shí)地合計到輸出上去！若將輸入引線(xiàn)鉸接在一起（如圖16），則感應電壓往往出現在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。
在共模信號超量的高頻測量中可以將兩條輸入線(xiàn)繞在鐵氧體磁環(huán)上而得到改善。這樣作可衰減兩個(gè)輸入端共有的高頻信號。由于差分信號是在兩個(gè)方向上穿過(guò)磁芯，因此不受影響。

圖15. 隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)穿過(guò)間隔開(kāi)的引線(xiàn)時(shí)感生出電壓，猶如變壓器的線(xiàn)圈。此電壓作為差分成分輸入放大器并累加到真正的VDM 信號- 上。

圖16. 將輸入引線(xiàn)絞扭在一起，環(huán)路面積非常小，故穿過(guò)其中的磁場(chǎng)較少。感應電壓往往出現在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。

接地
大多數差分放大器的輸入連接器是外殼接地的BNC連接器。在使用探頭或同軸輸入線(xiàn)纜連接時(shí)，總會(huì )有如何接地的問(wèn)題。由于測量應用千差萬(wàn)別，故沒(méi)有嚴格的標準可循。
在測量低頻的低電位信號時(shí)，地線(xiàn)一般最好是只接在放大器一側，而不要接在兩個(gè)輸入端上。這樣可給感應到屏蔽層的電流提供返回的通路，但又不會(huì )形成接地環(huán)路而對測量或被測設備形成干擾。
在高頻部分，探頭的輸入電容與引線(xiàn)電感形成串聯(lián)“空腔”諧振電路，并可能結成環(huán)狀。在單端測量中，使用盡可能短的接地線(xiàn)可使這種效應減至最小。這樣會(huì )降低電感量，有效地增高諧振頻率，使其有望超出放大器的帶寬。差分測量是在兩個(gè)探頭接觸點(diǎn)之間進(jìn)行的，其中并不涉及接地的概念。然而如果因為共模成分的快速上升而產(chǎn)生了環(huán)，則使用短的接地線(xiàn)可減少諧振電路中的電感量，從而減少了環(huán)狀成分。在有些情況下，也可以用附加接地線(xiàn)的方法減少快速差分信號所產(chǎn)生的環(huán)。如果共模源在高頻時(shí)對地的阻抗很低，也就是被電容器旁路，就屬于這種情況。如其不然，附加地線(xiàn)可能會(huì )使情況變得更糟！如果發(fā)生了這種事，可試著(zhù)將探頭一起在輸入端接地。這樣可以通過(guò)屏蔽降低有效電感。

當然，將探頭的地接到電路上可能會(huì )生成接地環(huán)路。在測量高頻信號時(shí)這通常不會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。測量高頻時(shí)的最好忠告就是試著(zhù)用和不用接地引線(xiàn)進(jìn)行測量；然后采用能給出最好結果的設置。當把探頭接地引線(xiàn)接到電路時(shí)，要切記將它接地！在使用差分放大器時(shí)很容易忘記地線(xiàn)的連接在哪里，因為它們可以探查電路的任何地方而不會(huì )有發(fā)生損害的危險。

圖16. 源阻抗不平衡所造成的影響。＋輸入衰減器是從0Ω驅動(dòng)的，但－輸入衰減器是從3kΩ以下驅動(dòng)的。結果與900kΩ相加，使衰減增加而CMRR降低。

輸入阻抗對CMRR 的影響
任何源阻抗的作用就是與輸入電阻（直流）和輸入電容（交流）組成一個(gè)分壓器。對單端測量來(lái)說(shuō)，阻抗的影響一般可以忽略，因為誤差很少能達到1%。但對差分測量，這個(gè)小的誤差造成輸入增益的不匹配，這會(huì )減少共模抑制的能力（見(jiàn)圖17）。
測量差分放大器的CMRR 指標通