在信號測量領(lǐng)域，探頭作為引入信號的關(guān)鍵工具，不同類型的探頭適用于不同的測量場景。測量時，很多情況下都能直接用廠家送的探頭解決問題，那廠家力推的差分探頭有必要買嗎？
一、探頭類型概述
1、高阻無源探頭目前，我們隨設(shè)備送的探頭都是高阻無源探頭，它成本低，很耐造，是測量新手的首選。但是，
它同時具備了帶寬低、電容大、地環(huán)路大等劣勢，在高速信號、精密測量等領(lǐng)域還是略顯心有余而力不足。
2、有源單端探頭
這時候，就該上有源探頭。有源探頭里面又分單端、差分等。
有源單端探頭理解起來其實很簡單，它彌補了贈品探頭的劣勢，帶寬更高，電容更小，雖然靜電敏感、動態(tài)范圍低、校準(zhǔn)又麻煩，屬于是和高阻無源探頭優(yōu)劣極限一換一，但對于高速信號測量可以手拿把掐了。
二、差分探頭的獨特優(yōu)勢
這么一看，高阻無源探頭的劣勢都已經(jīng)被彌補了，差分探頭好像沒有存在的意義了嗎？
有源單端探頭確實彌補了高阻無源探頭的劣勢，但這兩種探頭的測量核心目標(biāo)，都是“信號對地電壓”，它們的互補，只是在這同一個目標(biāo)下的互補。
而差分探頭的測量目標(biāo)則是“兩路信號的電壓差”，采用雙絞對稱走線，正負信號線長度、阻抗嚴(yán)格匹配 。
比起一定要有個“參考地”的測量，思路可謂格外不同。
要實現(xiàn)這個能力，差分探頭并不是采用一路信號線、一路地線的走線方法，而是將正負信號線通過長度、阻抗的嚴(yán)格匹配，采用雙絞對稱走線來實現(xiàn)。信號測量的路徑分別通過探頭正端、副端進入其內(nèi)部的差分放大器，再進入示波器進行顯示。
而差分探頭這種獨特的走線方式，也為其帶來了非常多的優(yōu)勢。
1、有效抑制EMI
首先，差分探頭能有效抑制EMI，在傳輸信號時，兩根信號線不同的極性會使其對外輻射的能量互相抵消一部分，從而有效降低EMI，如果周圍環(huán)境電磁敏感，那么差分探頭能降低干擾。
2、降低對工藝波動和溫度變化的敏感性
其次，相較于單端信號依賴高低電平閾值進行判斷的方式，差分信號的開關(guān)切換由兩路信號的交叉點觸發(fā)，這一機制顯著降低了對工藝波動和溫度變化的敏感性，減少了時序誤差，同時在小幅度信號場景中展現(xiàn)出更強的適應(yīng)性。
3、浮地測量更安 全
此外，差分探頭還能讓浮地測量變得更加安全。我們之前講過，當(dāng)被測電路負極對地電壓不為零時，單端測試會導(dǎo)致地線和負極短路，從而無法測量。而差分探頭由于不引入對地回路，能更安 全地進行差分測量。而這，在廣泛采用浮地元器件的電源行業(yè)，可謂重中之重。
4、共模抑制比更大
如果不理解共模抑制比，可以先放一邊。你先設(shè)想一下，如果外界的電磁輻射等干擾對差分探頭產(chǎn)生噪聲影響，由于差分探頭雙絞線長度、阻抗均匹配，那么這些干擾會高度一致地在兩條信號線上分布，從而在接收端通過“相減”而被抵消，這就是差分探頭扛共模干擾的能力更強、共模抑制比更高的現(xiàn)實表現(xiàn)，也就是它，測得更準(zhǔn)。
三、實驗驗證
我們可以通過儀器來做一個不那么嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀸Ρ纫幌翧-B和差分探頭的差距。
選取鼎陽科技SDS3000X HD系列數(shù)字示波器和SDG2000X任意波形發(fā)生器作為實驗儀器。我們采用任意波形的通道1和通道2均輸出直流1V的直流電信號。其相減，其蕞大值應(yīng)該等于0V。
先采用A-B法進行測試。用兩根高阻無源探頭將信號接入示波器的通道一和通道二，打開數(shù)學(xué)運算，設(shè)置通道一減通道二，并進行蕞大值測量，測量結(jié)果為20mV左右。
再采用差分探頭進行測量，其中，正極探針接在通道1上，負極探針接在通道2上，并進行通道一蕞大值測量，測量結(jié)果為4mV左右，差距很明顯。
當(dāng)然，由于任意波形發(fā)生器本身不是追求極 致功率精度和穩(wěn)定性的儀器，示波器自己內(nèi)部也還存在噪聲、誤差等，這個實驗只能說博您一笑，只要能您領(lǐng)會到我的意思就行。
說回共模抑制比，它用于表征差分放大電路抑制共模信號及放大差模信號的能力，簡單粗暴地理解，就是對兩個輸入端電壓差，即差模電壓的增益，比上兩個輸入端對地電壓平均值，即共模電壓的增益的比值。
列公式來看即：
CMRR=倍數(shù)*（正-負端口電壓差）/倍數(shù)（正端口對地電壓+負端口對地電壓）/2
顯然，差模增益越大，共模增益越小，共模抑制比就越大。而當(dāng)差分探頭的雙絞線完全對稱時，由于相減抵消，這個共模電壓的增益會變成0，導(dǎo)致導(dǎo)致共模抑制比變?yōu)闊o窮大，這是差分探頭的理想情況。當(dāng)然，現(xiàn)實生活中我們無法真正地做到電路完全對稱，所以蕞終，還是會有共模電壓留存，也就是我們剛才實驗中測試出來導(dǎo)致結(jié)果非零的電壓。
四、結(jié)論
總結(jié)一下，差分探頭一共有四個優(yōu)點：EMI小、時序精準(zhǔn)、浮地測量安全、共模抑制比大。此外，差分探頭下面也分為兩類，有源差分探頭和高壓差分探頭，他們具有以上四個優(yōu)點的共性，但也有差異，以應(yīng)對于不同的場景。
有源差分探頭的帶寬可以做到很大，幾個G那是輕輕松松，對于高速信號測量更常見，但是動態(tài)范圍很小，對于大電壓是“無能為力”的。
而高壓差分探頭的帶寬通常不會做的太大，100MHz已經(jīng)是很努力啦，但是通常能接受kV以上的高壓，在開關(guān)電源等領(lǐng)域中應(yīng)用十分常見，工程師可根據(jù)實際需求選擇合適的探頭。
來源：鼎陽科技
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