真实差分示波器助力探头使用的安全性和精度

从高压线电压，嵌入式的电源到音频设计和串行信号通信，无不可见差分测量的身影，差分测量给用户提供了实实在在的便利，去对付那些微小，信噪比不高的难缠信号，而这通过普通的单端对地测试无法企及。

每个电子工程系一年级的学生都知道一个事实：两点之间的电压等于他们各自对地电压的差值。假如我们把万用表的两支表笔放在一颗5号电池的两端我们也能得到正确的读数，即便这时候万用表是浮地的，没有绝对电压的参考点。但是，对于示波器，情况就变的有些复杂了，因为示波器的设计往往是基于单端对地的方式，必须有一个地平面作为参考输入，如下图。所有的测量通道都共享同一个地平面，也就是BNC端口的屏蔽壳，所以示波器一般来说都是测量对地电压。

这听起来在功能上没有很重大的差别，但却会带来非常不同的结果。最值得注意的，也是需要万分小心的就是对于功率电路，单端测量很容易一个疏忽造成对地短路。本来，在操作时把单端探头与被测试设备的外壳连接，通过电源线最终接地，这是一种相对安全的方式，因为它建立了一条阻抗相对较低的到地回路，避免了高压大电流从人体流经到地。但是对于电路测量本身来说，带来的结果往往会有毛刺干扰，比如系统过载导致的尖峰电流信号等等。甚至有时候你还没开始测试呢，正负极的鳄鱼夹一个不小心碰到一起，就造成了系统短路烧毁。

浮地测试

那么有什么解决方案呢？怎么样安全地测量这样的电路信号呢？答案是要切断到地回路，如下图所示，用两只示波器表笔分别点测信号的两端，两支表笔的地线相连但是不接入电路，这样就能保证被测点没有到地回路。

也许最简单的方法就是在标准示波器上借助数学相减运算来模拟差分测量。具体来说就是用一对输入通道，分别接单端探头，把它们的地线相连，并且远离被测件，同时用两根探头分别探测被测元件的两端，再提醒一次特别注意不要短路。之后把两个通道测得的波形在示波器中进行减法运算，得到一组差分波形，这可以叫做“伪差分测量”。

请注意，这种测试方法一个直接的代价是多占用一个通道，还有一个问题是电压测量的误差在这个方法中是累加性的，也就是说用两个探头，固有的误差几乎翻倍。

所以，即便在传统设备中，两个单端探头伪差分的测试方法也不可取，人们大多会选择一种更优雅（同时也更昂贵）的方式来做浮地测量：购买差分探头。真实的差分输入结构能够很好地抑制同时叠加在被测件两端的加性干扰（一般称为共模噪声Vcm）。这笔钱值得花，尤其是测量一些灵敏的电路时，电源和电机等等形成的噪声干扰较大。下图很清晰地展现了这种方法的好处，即便有可观的共模干扰，VSIG仍然很好地还原了信号。

利用PicoScope4444 助力差分测量

有源差分探头跟他们的同胞兄弟单端探头相比，具有无可比拟的性能优势。它们的共模抑制比很高而输入容性阻抗很低。这有助于减小测试给电路带来的额外负载，以及噪声的影响，从而得到更加真实的信号。现在你知道差分探头有多么好用了，可奇怪为什么他们在示波器测量中不那么随处可见呢？为什么它们常常是不得已的选择？

答案显而易见，太贵了。差分探头增加了研发和生产的成本投入，有时候几支差分探头的价格抵得上一台示波器主机了。那么，想象一下如果差分探头的功能被集成到示波器内部，会是什么情景？PicoScope4444就是这样做的，它是一台高分辨率，基于PC的示波器，拥有四个真实的，内置的差分输入通道。

请注意，这个产品的招牌特色：没有BNC接口。PicoScope4444用四个D-9接口代替了传统示波器的BNC插头，一望可知不同于普通的示波器产品。这个接口可以支持一系列的有源差分探头，除了提供差分输入以外，还包含了供电，接地，数字控制等等端子。这样外置探头不但能够直接供电，不需要电池或者额外的电源适配器，同时示波器也可以自动识别探头的型号。

在PicoScope4444内部，是4个可变分辨率的独立通道，可在12bit@400MS/s到14bit@50MS/s之间切换，存储深度高达256MS。模拟输入带宽是20MHz，适用于大部分功率和电力测量，以及工业控制总线的应用。它最小的电压档位范围是±10mV，最大则是±50V，共模抑制比在1MHz频段达到60dB。

典型应用

使用差分测量除了出于安全的考虑，你还可以在一些单端探头不起作用的时候把重要信息挖掘出来。典型的应用就是测量浮地点的特性，这些点对地环噪声十分敏感，这时单端测量因为共模噪声的存在变得毫无用武之地。

我们来看一个嵌入式的DC/DC功率电路，如图。快速的一瞥，我们还不能十分明确大功率电感是接地的还是浮地的。从这个图上来看，电感电流受到好几个因素的影响，颇为复杂，具体来说就是Vin,Vout和负载的静态直流电流。这是一个很值得展示差分测量的电路。

ISL9120，是一款多模变压器芯片，可以工作在Buck,Boost和Pass-Thru模式。四个开关管环绕着一个电感，它们决定了开关电流的大小。考虑四个开关管的同时工作，很难一下子计算出LX1和LX2上的电压。再加上四个开关管经常不是同一个开关状态，情况尤为复杂，这样的电路非差分测量莫属。具体情形如何，且听下期分解。

总结一下，PicoScope4444的差分输入前端，提供了一种灵活的，精确的和安全的测量方案。此外，我们还提供一个D9-BNC的专用转接头，可以让这款示波器兼容市面上大部分的传统探头。PicoScope4444的价值还在于消除了单端测试中地环的麻烦，避免了不小心短路，让工程师可以消除紧张，专注测试。

下一期我们将会介绍差分示波器更加详细的应用案例，敬请关注。