差分示波器測(cè)量

維持測(cè)量的完整性
測(cè)量的誤差源
像其他的測(cè)量方法一樣，差分測(cè)量也受到產(chǎn)生誤差的條件的制約。這些誤差在結(jié)果中也許很明顯，也許并非顯而易見(jiàn)，還有可能被誤認(rèn)為是想要的測(cè)量結(jié)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(duì)差分示波器或探頭的內(nèi)部運(yùn)行情況有一個(gè)基本的了解。

系統(tǒng)的核心是差分放大級(jí)（參見(jiàn)圖14）。其圖示符號(hào)與運(yùn)算放大器相同。差分放大器像運(yùn)算放大器一樣可以抑制輸入的共模信號(hào)而只放大兩個(gè)輸入端的電壓差。與運(yùn)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(yīng)管）。輸入信號(hào)可以通過(guò)高阻抗的衰減器以便使大信號(hào)減小到放大器可以處理的范圍。對(duì)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(duì)CMRR具有第一位的影響。例如，為了保持100,000:1 的CMRR指標(biāo)，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(dāng)然，還需要從信號(hào)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(hào)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(yīng)盡可能一樣。兩個(gè)輸入端的任何接線的都應(yīng)長(zhǎng)度相同。如果使用探頭，其型號(hào)與長(zhǎng)度也應(yīng)相同。在測(cè)量高共模電壓的低頻信號(hào)時(shí)，應(yīng)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?yàn)椴豢赡芫仄胶馑鼈兊乃p量。當(dāng)高電壓或高頻率的應(yīng)用需要衰減時(shí)，應(yīng)使用為差分放大器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用無(wú)源探頭。這種探頭具有能精密調(diào)整直流衰減和交流補(bǔ)償?shù)难b置。為獲得最佳的性能，每一個(gè)特定的放大器都應(yīng)專(zhuān)用一套探頭，而且要根據(jù)這套探頭附帶的程序針對(duì)該放大器進(jìn)行校準(zhǔn)。
一種常用的方法是將+ 和- 輸入纜線成對(duì)絞扭在一起。這樣可減少拾取線路頻率干擾和其他噪聲的可能。以間隔方式布線的輸入纜線（參見(jiàn)圖15）的作用相當(dāng)于變壓器的一個(gè)線圈。穿過(guò)這個(gè)環(huán)路的任何交流磁場(chǎng)都會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電壓，此電壓作為差分成分出現(xiàn)在放大器的輸入端，而且會(huì)如實(shí)地合計(jì)到輸出上去！若將輸入引線鉸接在一起（如圖16），則感應(yīng)電壓往往出現(xiàn)在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。
在共模信號(hào)超量的高頻測(cè)量中可以將兩條輸入線繞在鐵氧體磁環(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(hào)。由于差分信號(hào)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)的引線時(shí)感生出電壓，猶如變壓器的線圈。此電壓作為差分成分輸入放大器并累加到真正的VDM 信號(hào)- 上。

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

接地
大多數(shù)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纜連接時(shí)，總會(huì)有如何接地的問(wèn)題。由于測(cè)量應(yīng)用千差萬(wàn)別，故沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)可循。
在測(cè)量低頻的低電位信號(hào)時(shí)，地線一般最好是只接在放大器一側(cè)，而不要接在兩個(gè)輸入端上。這樣可給感應(yīng)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(duì)測(cè)量或被測(cè)設(shè)備形成干擾。
在高頻部分，探頭的輸入電容與引線電感形成串聯(lián)“空腔”諧振電路，并可能結(jié)成環(huán)狀。在單端測(cè)量中，使用盡可能短的接地線可使這種效應(yīng)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(cè)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?yàn)楣材３煞值目焖偕仙a(chǎn)生了環(huán)，則使用短的接地線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的方法減少快速差分信號(hào)所產(chǎn)生的環(huán)。如果共模源在高頻時(shí)對(duì)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，附加地線可能會(huì)使情況變得更糟！如果發(fā)生了這種事，可試著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(dāng)然，將探頭的地接到電路上可能會(huì)生成接地環(huán)路。在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)這通常不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。測(cè)量高頻時(shí)的最好忠告就是試著用和不用接地引線進(jìn)行測(cè)量；然后采用能給出最好結(jié)果的設(shè)置。當(dāng)把探頭接地引線接到電路時(shí)，要切記將它接地！在使用差分放大器時(shí)很容易忘記地線的連接在哪里，因?yàn)樗鼈兛梢蕴讲殡娐返娜魏蔚胤蕉粫?huì)有發(fā)生損害的危險(xiǎn)。

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

輸入阻抗對(duì)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(duì)單端測(cè)量來(lái)說(shuō)，阻抗的影響一般可以忽略，因?yàn)檎`差很少能達(dá)到1%。但對(duì)差分測(cè)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(cè)量差分放大器的CMRR 指標(biāo)通