示波器的差分信號測量

1、示波器的差分信號測量初步介紹差分測量、放大器類型、應用及怎樣避免常見錯誤當存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪聲時，使用傳統(tǒng)示波器探頭不能測量模擬的4 mVp-p心跳波形（上圖）。差分放大器則可以從噪聲中提取信號。引論所有測量都是兩點測量人們一直在一條電路的兩點之間測量電壓，不管是使用電壓表還是使用示波器。當示波器探頭接觸電路中的一點時，即使沒有連接地線，通常也會在顯示器上出現(xiàn)波形。在這種情況下，測量的參考點是經(jīng)過示波器機箱的安全接地通往電路中的電氣地。數(shù)字電壓表通過兩個探頭測量兩點之間的電位。由于這兩個探頭是彼此隔離的，因此這兩點可以位于電路中任何地方。但情況并不總是如此。在數(shù)字電壓

2、表出現(xiàn)前，人們使用VOM（萬用表）手持式儀表測量“浮動”電路。由于這些儀表是無源的，因此它們往往會給被測電路帶來負荷。使用高阻抗VTVM（真空管電壓表），可以執(zhí)行侵入性較小的測量。VTVM 有一個重大的局限性，即其測量總是以地為參考點。VTVM外殼接地，并連接到參考引線上。由于固態(tài)增益電路的問世，高性能電壓表可以與地線隔離，從而可以執(zhí)行浮動測量。目前的大多數(shù)示波器，如老式VTVM，只能測量以大地為參考點的電壓，地線則連接到示波器機箱上。這稱為“單端”測量，探頭地線提供了參考通路。遺憾的是，有時這種局限性會降低測量的完整性，或不可能進行測量。如果被測電壓位于兩個電路節(jié)點之間而且這兩點均未接地，那

3、就不能使用傳統(tǒng)的示波器探測技術(shù)。常見的實例是測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動信號（參見圖1）。像普通電話線路中的那種平衡信號（在兩條引線之間，且沒有地回路）是不能直接測量的。我們將會看到，甚至某些“以地為參考”的信號也不能如實地使用單端技術(shù)來測量。如果地線不成其為地線我們都聽說過“接地環(huán)路”，書本上教我們避免“接地環(huán)路”。但接地環(huán)路是怎樣破壞示波器測量的呢？當兩條或多條單獨的接地通路聚結(jié)于兩點或多點時，將會產(chǎn)生接地環(huán)路。其結(jié)果是導體連成了一個環(huán)。當出現(xiàn)變化的磁場時，這個環(huán)就成了變壓器的次級，其本質(zhì)是一個短路線匝。在其附近傳送非直流電流的任何導體都可以產(chǎn)生激勵這個變壓器的磁場。主配線中的交流線電壓、甚至

4、數(shù)字集成電路的輸出引線，都可能產(chǎn)生這種激勵。在環(huán)路中循環(huán)的電流會在環(huán)路內(nèi)任何阻抗的兩端產(chǎn)生電壓。這樣，在任何給定的瞬間，接地環(huán)路中的不同點將不處在同一電位。把示波器探頭的地線連接到被測電路的地上，如果電路“接地”到大地，就會形成接地環(huán)路（參見圖2）。循環(huán)電流作用在探頭通路內(nèi)部的阻抗上會在其中產(chǎn)生電壓電位。圖1. 在測試點TP1 和TP2 之間測量開關(guān)電源中的柵極驅(qū)動信號。兩點都沒有接地。圖2. 示波器探頭形成的接地環(huán)路。示波器的金屬機箱和被測器件連接到安全地和內(nèi)部電源公用線上。示波器探頭地則通過輸入端BNC 連接器連接到示波器機箱上。這樣，示波器輸入端BNC 連接器上的“地”電位就不同于被測電

5、路中的地電位（也就是說“地線不成其為地線”）。這種電位差可以是幾微伏，也可以高達幾百毫伏。由于示波器以輸入端BNC 連接器外殼作為測量參考點，故顯示的波形可能并不代表探頭輸入端上的實際信號。當被測信號的幅度下降時，誤差會變得更加明顯，這在傳感器和生物醫(yī)學測量中十分常見。在這些情況下，人們經(jīng)常會去掉探頭的接地線。只有在測量頻率極低的信號時，這種方法才有效。在較高的頻率上，探頭開始在信號中增加因諧振電路（由觸點電容和屏蔽電感組成）產(chǎn)生的“環(huán)”（參見圖3）。(正因為如此，您永遠要使用盡可能短的地線。)圖3. 探頭觸點電容和接地電感形成的串聯(lián)諧振電路。我們現(xiàn)在遇到了一種兩難的情況：造成接地環(huán)路，在測量

6、中增加誤差；或去掉探頭地線，在波形中增加環(huán)！為了斷開接地環(huán)路而經(jīng)常試用的第二種方法是“浮動”示波器或“浮動”被測電路。“浮動”是指在被測設(shè)備上或在示波器上使安全接地的導線開路從而斷開與大地的連接。浮動示波器或浮動被測設(shè)備（DUT）之后，便可利用短地線使環(huán)達到最小，而且不會產(chǎn)生接地環(huán)路。這種作法本身具有危險性，因為在主配線發(fā)生短路時，它會使電擊保護措施失效。（某些專用電池操作的便攜式示波器采用絕緣材料，可以安全進行浮動測量。） 在嚴格接地的示波器（或被測設(shè)備）的電源線中放一個合適的接地故障斷路器（GFCI），可以恢復操作人員的安全。但要知道，如果沒有低阻抗的接地連接，示波器的放射輻射和傳導輻射現(xiàn)

7、在可能會超過政府標準，也會給測量本身造成干擾。在較高的頻率上，斷開接地線也不可能打破接地環(huán)路，因為“浮動”電路實際上通過雜散電容耦合到大地（參見圖4）。圖4. 使用接地的示波器探測“浮動的”電池供電手機。手機電路和鋼制工作臺構(gòu)架之間的電容對高頻率構(gòu)成了虛擬接地環(huán)路。即使測量系統(tǒng)沒有引入接地環(huán)路，被測設(shè)備內(nèi)部仍可能存在“地線不成其為地線”的綜合癥（參見圖5）。大的靜態(tài)電流和高頻電流作用在設(shè)備接地通路中的電阻性元件和電感性元件上便產(chǎn)生了電壓梯度。在這種情況下，電路中某一點的“地”電位將不同于另一點的“地”電位。圖5. 接地布線系統(tǒng)中的微小寄生電感和電阻導致VG VG。例如，系統(tǒng)中高增益放大器的輸入

8、端的地與電源的“地”電位相差幾毫伏。為了精確地測量放大器所看到的輸入信號，探頭必須參考放大器輸入端的地。這些效應多年來一直是靈敏模擬系統(tǒng)的設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。在快速數(shù)字系統(tǒng)中也有同樣的效應。接地布線系統(tǒng)中的微小電感可能會在其兩端產(chǎn)生電位，導致“地面反跳”。檢修受到接地電壓梯度影響的系統(tǒng)是非常困難的，因為設(shè)計人員不能真正查看各個器件所“看到”的信號。把示波器探頭地線連接到器件的“接地”點上，會導致不確定性，這些不確定性使新通路的影響添加到接地梯度中。在連接探頭地線時，如果電路中的問題變好(或變差)，則表明確實發(fā)生了變化。我們真正需要的是一種能夠用示波器測量可疑器件輸入端上的實際信號的方法。通過

9、使用適當?shù)牟罘址糯笃?、探頭或隔離器，可以執(zhí)行精確的兩點示波器測量，而不會引入接地環(huán)路或使測量失敗、擾亂被測器件或使用戶面臨電擊危險。市場上為示波器提供了多種差分放大器和隔離系統(tǒng)，每一種都針對特定的一類測量進行了優(yōu)化。為了選擇合適的解決方案，必需理解各種術(shù)語。差分測量基礎(chǔ)差分測量概述理想的差分放大器放大兩個輸入端之間的“差”信號，而且會徹底抑制兩個輸入端共用的任何電壓（參見圖6）。其轉(zhuǎn)換公式是：VO = AV( V+in - V-in)其中VO 參考大地電位。受關(guān)注的電壓，或差信號，稱之為差分電壓或差模信號，表示為VDM(VDM 就是上述轉(zhuǎn)換公式中的V+in - V-in)。兩個輸入端共用的電壓

10、稱為共模電壓，用VCM表示。差分放大器忽略VCM的特性稱為共模抑制或CMR。理想的差分放大器會抑制所有的共模成分，不管其幅度和頻率是多少。圖6. 差分放大器在圖7中，差分放大器用于測量逆變器電路中上部的MOSFET（場效應管）柵極驅(qū)動信號。隨著MOSFET 的通和斷，源極電壓從正的電源匯流條擺到負的電源匯流條。變壓器可以使柵極信號以源極為參考點。差分放大器允許示波器以足夠的分辨率（如2 V/ 分度）測量實際VG S 信號(擺幅為幾伏)，同時抑制幾百伏的源極到地的躍遷。共模抑制比(CMRR)差分放大器的實際實現(xiàn)方案并不能抑制所有的共模信號。少量共模信號將作為誤差信號出現(xiàn)在輸出中，無法從預期的差分

11、信號中辨別出來。衡量差分放大器消除不希望的共模信號的能力，稱為共模抑制比或簡寫為CMRR。CMRR的真正定義是“差模增益除以相對于輸入的共模增益”：CMRR =ADM / ACM圖7. 用來測量逆變器橋電路中上部晶體管的柵極- 源極電壓的差分放大器。注意在測量過程中，源極電位變化了350V。圖8. CMRR為10,000:1的差分放大器的共模誤差。圖9. 對共模抑制進行試驗測試。由同一點驅(qū)動兩個輸入端。殘留的共模出現(xiàn)在輸出端。此項測試沒有發(fā)現(xiàn)不同的源極阻抗的影響。這是在實際測量環(huán)境中確定共模抑制誤差范圍的一種便利的測試方法。但有一種效應是這個測試沒有捕獲到的。兩個輸入端接到同一點上，在放大器看

12、來驅(qū)動阻抗沒有差別。這種情況會產(chǎn)生最佳的CMRR。當差分放大器的兩個輸入端是由差別明顯的源極阻抗驅(qū)動時，CMRR 值會降低。這種效應的詳情將在以后討論（參見第13 頁輸入阻抗對CMRR 的影響）。其他指標參數(shù)差模范圍相當于放大器或單端示波器輸入端的輸入范圍指標。超出此范圍的輸入電壓將使放大器受到過渡驅(qū)動，導致輸出被削波或非線性失真。共模范圍是放大器能夠抑制共模信號的電壓窗口。共模范圍通常大于或等于差模范圍。共模范圍有可能隨著放大器增益的不同設(shè)置而改變，這取決于放大器的拓撲。超出放大器的共模范圍可以在輸出端導致各種結(jié)果。在有些情況下，輸出波形未被削波，可以生成與真實的輸入信號非常近似的輸出波形，

13、但有一些附加的偏移。這時顯示的波形與期望的波形非常接近，足以讓用戶毫不遲疑地接受。在進行差分測量前先檢驗共模信號是否處于可接受的共模范圍之內(nèi)，總不失為一個好方法。最大共模轉(zhuǎn)換速率適用于某些差分放大器和大多數(shù)隔離器。這項指標常令人困惑但卻非常重要。一部分困惑緣自儀器制造商之間缺少標準的定義。而且不同的放大器和隔離器在超出最大共模轉(zhuǎn)換速率時的表現(xiàn)也不盡相同。最大共模轉(zhuǎn)換速率實質(zhì)上是對CMRR 指標的補充。本指標的單位一般為kV/s。有些類型的差分放大器也像其他放大器一樣，在超出小信號的帶寬指標之前就超出了大信號轉(zhuǎn)換速率的限制。當差分放大器一端或兩端被驅(qū)動到轉(zhuǎn)換速率的極限時，共模抑制就會急劇降低。與

14、CMRR 不同的是，最大轉(zhuǎn)換速率并不意味著輸出端共模饋通量的增加。一旦超過了最大共模轉(zhuǎn)換速率，一切均無從談起 輸出就像被鉗位在一個電源匯流條上。但是對于隔離器來說，這種影響表現(xiàn)得為更加漸進 就像差分放大器中的CMR一樣。隨著共模轉(zhuǎn)換速率的增加（與頻率相對），有更多的共模成分“饋通”到輸出端。這個指標從直覺上表示的是在輸出端出現(xiàn)已知的饋通量時的最大共模轉(zhuǎn)換速率。需要注意的是，某些隔離器的共模轉(zhuǎn)換速率實際上就是最大非破壞性極限。這一點非常重要。當轉(zhuǎn)換速率比最大指標低得多時，進行有意義的測量的能力將會受損。在使用隔離器時，最好能在重要的測量之前先測試共模饋通。這很容易做到，只需在探頭觸點和參考線上都

15、用同一共模信號驅(qū)動并觀察輸出信號。差分放大器和探頭的類型內(nèi)置差分放大器。很多示波器都能夠用內(nèi)置的功能進行最簡單的差分測量。這種方式叫做“chanel A chanel B”（通道A 減通道B）方式或者“準差分”方式。雖然性能上受到限制，這項技術(shù)還是適合一些測量的需求的。為了進行差分測量，要使用兩個垂直通道，一個用于正輸入，一個用于負輸入。用于負輸入的通道被設(shè)置成反轉(zhuǎn)方式，顯示方式則設(shè)置為“ADD ChannelA + Channel B”（通道A 加通道B）。為了正常工作，兩個輸入必須設(shè)定在相同的標度系數(shù)，兩個輸入探頭也必須是同型號的?，F(xiàn)在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個輸入端的差電壓。為了獲得最大的C

16、MRR，兩個通道的增益應當匹配。這不難做到，只須將兩個探頭連接到方波信號源并使信號源的振幅保持在設(shè)定的“電壓/ 分度”的動態(tài)范圍之內(nèi)（大約6 分度）。將一個通道的增益方式設(shè)置為“uncalibrated - variable”（非校準可變），并調(diào)節(jié)可變增益控制旋鈕直到顯示的波形成為平直的軌跡。這項技術(shù)的主要局限性在于其共模范圍比較小，這是示波器垂直通道的動態(tài)范圍造成的。一般來說，其值小于“電壓/分度”設(shè)定值的10 倍（相對于地）。只要VCM VDM，獲得了差分結(jié)果的這種工作方式就可以認為是從兩個大電壓中提取了小差值。在模擬信號數(shù)字化以后，大多數(shù)數(shù)字存儲示波器是在數(shù)字域中完成波形的數(shù)學分析。在減

17、掉了共模信號之后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限的分辨率常常不適于檢查所得到的差分信號。由于兩個通道的交流增益沒有精確地匹配，高頻的CMRR 相當?shù)土?。這項技術(shù)適用于共模信號的振幅等于或低于差模信號，以及共模成分為直流或低頻（如50 或60 Hz 的供電線）的情況。在測量中等幅度的信號時，這項技術(shù)可以有效地消除接地環(huán)路。高電壓差分探頭。最近，市場上出現(xiàn)了高電壓有源差分探頭。一種采用固定衰減（帶可變換差分增益）的新的拓撲可以使這些探頭在所有的增益設(shè)置上保持其全部的共模范圍。這種單一的衰減器大大降低了復雜程度從而減少了用戶的成本。這種探頭為測量線連電路（通常用于開關(guān)電源、功率變換器、電動機、電燈鎮(zhèn)流器等）提供了費

18、用合理而又安全的方法。由于共模范圍高達1,000 V，這種探頭就不需要極其危險的“浮動示波器”的做法。最近，工作場所意外傷害監(jiān)控組織，如美國的OSHA（職業(yè)安全和健康條例），強化了他們對設(shè)備接地的檢查，違者將課以高額罰款。除了安全上的好處之外，這種探頭還可改進測量質(zhì)量。一個明顯的好處是能夠充分利用示波器的多個通道來同時觀察涉及不同電壓的多個信號。由于這是真正的差分探頭，故兩個輸入端均為高阻抗，即高電阻和低電容。浮動示波器和隔離器不具有平衡式的輸入。參考點（探頭上的“接地”夾）有相當大的對地電容。參考點所連接的任何源阻抗在快速共模躍遷過程中都會承受負荷，并使信號衰減。圖10. 即便示波器處于“浮

19、動”狀態(tài)，寄生電容也會形成交流分壓器從而增加測量的誤差。注意：回動的探頭引線會給柵極增加100 pF 的電容，有可能破壞電路。更有甚者，高電容還可能損壞某些電路（參見圖10）。將示波器的公共端接到逆變器上部的柵極可以使柵極驅(qū)動信號滯后，阻礙器件的關(guān)斷并破壞輸入橋。這種故障通常還會在工作臺上出現(xiàn)小火花，很多功率電子器件的設(shè)計人員都可以作證。使用平衡的低輸入電容的高壓差分探頭，可以用任何引線安全地探測電路上的任一點。高增益差分放大器。高增益差分放大器經(jīng)常屬于外接附件，可以使示波器測量幅度極低的信號，甚至小到幾個微伏。為了避免因接地環(huán)路和接地梯度效應造成的破壞，這些信號總是以差分方式進行測量的，即便

20、它們是以地為參考。當源不以地為參考時，共模信號可以比有用的差模信號大幾個數(shù)量級。為了克服這個問題，這些放大器的CMRR值極高，經(jīng)常達到1,000,000:1 或者更高。有些高增益放大器還具有可以改善低幅度測量完整性的附加功能?？蛇x的低通濾波功能可以使用戶從低頻信號中去除頻帶外噪聲。差分偏移功能可用于消除引入到輸入配線或傳感器橋的偏置電壓中的伽伐尼電位。為了能用于高驅(qū)動阻抗的信號源，有些型號還允許用戶將輸入設(shè)定在幾乎無限大的阻抗上。對任何差分放大器來說，通道增益最輕微的不匹配都會使放大器的高CMRR值大大降低。當應用中需要使用示波器探頭時，只能使用相同的非衰減模式（1X），因為衰減的探頭可能匹配

21、得不夠好，不足以保持CMRR 值。高性能差分放大器。帶有插入式放大器的示波器的出現(xiàn)使得高性能差分放大器的使用成為可能。這種放大器綜合了許多特性，適合于多種應用。校準的偏壓補償可以使該放大器用于單端模式，其軌跡可以參考距地幾千個分度的位置。這樣就有可能精確地測量電源中的波紋谷值以及功率放大器的凈空度。最先進的高速鉗位電路能使放大器從超標幾百倍的輸入過載中迅速恢復。這就提供了直接測量放大器和DAC電路的穩(wěn)定時間的可能性。這種放大器的特點是帶寬指標高達100 MHz以上，CMRR特性也很好。但是CMRR 指標是在兩個輸入端直接連在一起而且用低阻抗信號源驅(qū)動的情況下獲得的。在實際應用中，信號源阻抗和通

22、道增益的差異會使高頻時CMRR 值明顯降低。差分無源探頭。為了盡量減少性能的退化，這些放大器只能使用特別匹配的差分無源探頭。要保證按照探頭制造商給出的程序針對該放大器對探頭進行單獨校準。高帶寬有源差分探頭。這種探頭在其觸點處對信號進行緩沖，以此保持高頻CMRR 的質(zhì)量，故可消除無源探頭導致的性能下降問題。這種探頭具有高帶寬（100 MHz 以上）、高靈敏度，而且有極佳的高頻CMRR 性能。這種探頭一般用于測量磁盤驅(qū)動器的讀出電路（其信號本質(zhì)上是差分信號）。由于在查找地面反跳問題時不會改變接地梯度，這種探頭在探查高速數(shù)字電路時得到越來越普遍的應用。電壓隔離器。盡管電壓隔離器不是真正的差分放大器，

23、但它們提供了安全地測量浮動電壓的一種手段。與差分放大器相比，隔離器也有一些折衷的優(yōu)勢，選擇哪一種則取決于應用。如其名稱所示，隔離器并不直接連接浮動的輸入端與接地的輸出端。信號的耦合是通過光學方法或多路徑的光學/ 變壓器方法實現(xiàn)的。其物理配置有兩種：集成的單件系統(tǒng)和分立的發(fā)送器/ 接收器系統(tǒng)。發(fā)送器與接收器分立的型號是靠光纜相連。發(fā)送器由可充電電池供電，可以遠離接收器。在信號發(fā)源地的環(huán)境不適于人或示波器的情況下，這種方式是很有用的。隔離器還可用于極高的共模電壓。浮動電壓指標通常受手持式探頭的絕緣電壓的制約。如果斷電的被測設(shè)備可以連接探頭，則浮動電壓只受發(fā)送器與地之間的物理間距的限制。由于隔離器沒

24、有對地的電阻性通路，所以在對泄漏電流極為敏感的應用中是一種很好的選擇。裝有靈敏的GFCI (接地故障斷路器)的電路，如醫(yī)用電子設(shè)備，在連接到差分放大器時可能引起GFCI 跳閘。而沒有終止于地的衰減器也使隔離器對靜態(tài)（直流）共模電壓具有無限的CMRR。圖11. 隔離外殼產(chǎn)生的不平衡輸入電容。由此形成的交流分壓器使得探頭夾子處的VrefVref隔離器的劣勢在于它不是真正的差分放大器，也就是說，它的輸入是不平衡的（參見圖11）。測量（+）輸入端和參考（-）輸入端對大地的電容差別相當大。這就產(chǎn)生了與前述浮動示波器相同的問題。參考引線的源阻抗在高頻段與接地電容形成了一個衰減器。將參考點連接到電路中驅(qū)動阻

25、抗最低的點上（必要時可顛倒示波器的通道以便重新獲得正確的極性）即可使這些問題的影響減至最小。如果隔離器的發(fā)送器與接收器是分立的，應盡可能將發(fā)送器與接地表面相隔離，以便最大限度地減少對地的電容耦合。將隔離器置于紙板箱或木制板條箱內(nèi)都可以顯著改進其性能！差分測量的應用功率電子部件高電壓差分放大器是測量線路連接電路的理想的手段，這種電路包括開關(guān)電源的原線圈、電動機、電燈鎮(zhèn)流器，以及其他類似的系統(tǒng)。這種電路不需要“浮動示波器”這樣的危險做法。低的輸入電容也不會增加柵極驅(qū)動電路的負荷而影響逆變器的運行。在描述功率開關(guān)器件（如MOSFET 和IGBT）的特性時常常要測量動態(tài)飽和特性。帶有高速輸入鉗位電路的

26、高性能差分放大器能夠精確地測量導通飽和度，即當器件關(guān)斷時過驅(qū)動（滿標度的幾百倍）之后的幾納秒。這樣就可以使用精確測量飽和度特性所需要的高靈敏度。在測量次級電路時這種放大器也是有用的。通過激活校準的偏壓補償（也叫比較電壓），放大器也可用于單端模式以監(jiān)視波紋谷和線性穩(wěn)壓器的凈空度（參見圖12）。若將偏壓補償設(shè)定到輸出電壓，則可以在各種動態(tài)負荷條件下以高靈敏度直接測量VCE 凈空度。系統(tǒng)功率分配在開發(fā)高精度模擬量、混合信號和高速數(shù)字系統(tǒng)時，常常要解決功率分配方面的問題。這種工作可能是設(shè)計者最可怕的夢魘。CAD 系統(tǒng)經(jīng)常也無助于事，因為很難或者根本不可能為引起此類問題的微小的寄生效應建立模型。配備了差

27、分放大器的示波器是追蹤和鑒別系統(tǒng)中的故障點的最好工具。圖12. 用校準的偏壓補償精確測量輸出穩(wěn)壓器集電極上的電源波紋谷。注意：示波器設(shè)定在100 mV/ 分度，地電位在屏幕外61 個分度。圖13. 平衡橋電路中的傳感器。在兩個分壓支路的抽頭之間進行差分測量。單端測量常常將功率分配問題隱藏起來，因為這種測量為被測信號另外提供了接地路徑。這不僅使測量發(fā)生了變化，而且也常常會影響電路的工作，可能改進也可能降低電路的性能。將差分探頭置于集成電路的電源引線上，可以給出器件電源的真實狀況。邏輯器件的引線電感常常使集成電路與局部的旁路電容隔離開來。即便電源看似純凈，接地和電源引腳也可能相對于系統(tǒng)中的其他地線

28、發(fā)生漂移。移動探頭可以跟蹤單個器件的地與系統(tǒng)中其他地之間的動態(tài)接地電壓梯度。數(shù)字系統(tǒng)中的地面反跳效應可能更容易測量。在集成電路的輸入引腳及接地引腳之間進行探查就可給出該器件所看到的實際信號的狀況。平衡信號有些系統(tǒng)使用的信號本質(zhì)上就是差分信號。當信號兩端共有同一的驅(qū)動阻抗時就認為這兩端是平衡的。平衡系統(tǒng)在專業(yè)音頻設(shè)備、電話和磁記錄系統(tǒng)（模擬與數(shù)字存儲器）中是很普遍的，這里僅給出少數(shù)幾例。差分信號在高速數(shù)字系統(tǒng)中也分布得越來越普遍。如果對這種信號一次測量一端并將結(jié)果“相加”，那么這種低效率的嘗試充其量是一種容易出錯的方法。當只有信號的一端承載探頭時能量就經(jīng)常轉(zhuǎn)移到未被測量的一端。以差分方法測量平衡

29、系統(tǒng)可以得到信號的真實描述。傳感器差分測量普遍應用于傳感器系統(tǒng)。由于信號幅度小，還需要消除接地環(huán)路，所以就排除了使用單端測量的可能性?！皞鞲衅鳌币辉~使人想到了用于測量機械現(xiàn)象的設(shè)備，如測量加速度、振動、壓力等等。差分測量技術(shù)的應用已超出了這一范圍，還包括視頻和醫(yī)學成象器、麥克風、化學傳感器，等等，不一而足。電阻值可以發(fā)生變化的傳感器經(jīng)常工作在所謂平衡橋的配置中（參見圖13）。這種配置是利用三個已知電阻器和傳感器構(gòu)成一對分壓器。橋電路電源為這對分壓器提供偏壓，而在分壓器的抽頭之間進行差分式的電壓測量。這種配置的好處是消除了電源波動的影響。在系統(tǒng)被激勵之前，傳感器經(jīng)常生成一個代表其穩(wěn)態(tài)的直流輸出電

30、壓。為了獲得高分辨率，最好是將直流成分去掉。如果需要測量極低的頻率成分（1012 ）。在源阻抗相當高時（如生理學實驗）這種方式可以大大改善低頻的CMR。盡管儀器用放大器的輸入電阻為無限大，其輸入電容還是有的。隨著共模頻率的增加，信號源的高阻抗對CMR的改善效果將迅速退化。由于儀器用放大器沒有輸入衰減器，其共模范圍和差模范圍都比較狹窄。圖18. 消費音頻電子部件中的VCM。這些設(shè)備通常使用雙芯電源線，其機箱和電路都是浮動的。共模范圍任何放大器都有可能被過驅(qū)動，并引起輸出的“鉗位”。當輸入的差模信號大到足以強制放大器超出其輸出動態(tài)范圍時，差分放大器也會發(fā)生同樣的效應。差分放大器還要承受另一種過載，

31、即超出輸入共模范圍。當預期的信號所依附的電壓（VCM）超出了放大器的輸入共模范圍時就會發(fā)生這種情況。由于放大器抑制了共模信號，所以動態(tài)范圍受到輸入級而不是輸出擺幅的限制。帶輸入衰減器的放大器共模范圍比差模范圍大。由于共模成分在測量中是看不到的（但愿如此），所以共模范圍過載對于用戶可能并不明顯。當共模成分為直流時尤其如此。在超出VCM范圍時，有些放大器的拓撲仍然近似地給出帶有明顯增益誤差的差分信號。由于波形貌似正確，很多用戶被這種錯誤的測量結(jié)果所愚弄。有些放大器帶有過載指示器以警告用戶發(fā)生了共模過載的情況。一個好的方法就是在進行重要的測量之前先檢驗共模是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。只要將一個輸入端接地并

32、且用放大器本身測量共模成分就可以很容易地進行檢驗。然后再對另一個輸入端重復此過程。測量完全浮動信號完全浮動（沒有任何接地）的信號源在用差分放大器進行測量時會造成特殊的問題。常見的例子有電池供電的電子設(shè)備、消費音頻部件和實驗用生理標本。由于沒有分支阻抗接地，該地區(qū)的任何交流電場都可以通過電容耦合到被測設(shè)備中去（參見圖18）。在這種測量環(huán)境中充斥著從熒光燈和建筑物配線中輻射出來的線路頻率電場。當這種電場耦合到被測設(shè)備中時，便產(chǎn)生了共模電壓。若耦合量足夠大而放大器的輸入阻抗又比較高，就可能在不經(jīng)意間超出了放大器的共模范圍。當放大器配置成儀器用放大器時尤其如此，因為對線路頻率的負載阻抗近乎無限大。通過

33、提供分支阻抗接地、減少電容性耦合或者減少場強等都可以避免出現(xiàn)過載的情況。增加到地的并聯(lián)支路是最為容易的方法。這種方法不需要直接短路，通常有10 k的電阻就足夠了。如果加入分支阻抗對被測設(shè)備或測量過程造成了干擾，可以試著將被測設(shè)備用接地的金屬屏蔽物封裝起來以減少電容性耦合。這實際上是加了一個給交流電場提供接地通路的法拉第屏蔽。最后一個方法是設(shè)法將場強減至最小。作為一個好的開始，可以用白熾燈替代熒光燈以及使電路配線與被測設(shè)備之間保持最大距離。帶寬差分放大器和單端示波器放大器一樣，?？梢詫捪拗七M行控制。高增益放大器可以提供低通頻率的選擇。帶寬限制可減少高頻噪聲成分并使低頻的降低減至最小。帶寬限制

34、濾波器位于輸入信號被轉(zhuǎn)換為單端之后。所以，使用帶寬限制不會增加高頻的輸入共模范圍。術(shù)語ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲示波器需要將模擬輸入轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字存儲示波器的“心臟”部件。ADC 的許多特性（如采樣率、分辨率、精度和線性度等）均直接與示波器的性能有關(guān)。平衡式 通過一對線進行傳輸?shù)男盘枺織l線的源阻抗相同。地線不可用作信號的返回路徑。帶寬限制器 一種用戶可選的濾波器，用于衰減有用帶寬之外的噪聲。除非特別說明，濾波器均為低通拓撲，單極（-6 dB/octave）滾降。鉗位電路 一種限制放大器輸出電壓的擺幅使之工作于線性范圍的電路。通常采用減少過載恢復時間的方法實現(xiàn)。削波 放大器再現(xiàn)輸入信號時由于輸出電壓范圍不夠而產(chǎn)生的失真的波形。正如其名稱所示，輸出波形好象經(jīng)過了“切削”。共模 輸入信號中差分放大器的兩個輸入端公用（振幅與相位均相同）的成分。理想的差分放大器抑制所有的共模信號。共模范圍 差分放大器可以