示波器的差分信号测量

示波器的差分信号测量

初步介绍差分测量、放大器类型、应用及怎样避免常见错误

当存在500 mVp-p、60 Hz 的共模噪声时，使用传统示波器探头不能测量模拟的4 mVp-p心跳波形（上图）。差分放大器则可以从噪声中提取信号。

引论
所有测量都是两点测量
人们一直在一条电路的两点之间测量电压，不管是使用电压表还是使用示波器。当示波器探头接触电路中的一点时，即使没有连接地线，通常也会在显示器上出现波形。在这种情况下，测量的参考点是经过示波器机箱的安全接地通往电路中的电气地。
数字电压表通过两个探头测量两点之间的电位。由于这两个探头是彼此隔离的，因此这两点可以位于电路中任何地方。但情况并不总是如此。在数字电压表出现前，人们使用VOM（万用表）手持式仪表测量“浮动”电路。由于这些仪表是无源的，因此它们往往会给被测电路带来负荷。使用高阻抗VTVM（真空管电压表），可以执行侵入性较小的测量。VTVM 有一个重大的局限性，即其测量总是以地为参考点。VTVM外壳接地，并连接到参考引线上。由于固态增益电路的问世，高性能电压表可以与地线隔离，从而可以执行浮动测量。
目前的大多数示波器，如老式VTVM，只能测量以大地为参考点的电压，地线则连接到示波器机箱上。这称为“单端”测量，探头地线提供了参考通路。遗憾的是，有时这种局限性会降低测量的完整性，或不可能进行测量。

如果被测电压位于两个电路节点之间而且这两点均未接地，那就不能使用传统的示波器探测技术。常见的实例是测量开关电源中的栅极驱动信号（参见图1）。
像普通电话线路中的那种平衡信号（在两条引线之间，且没有地回路）是不能直接测量的。我们将会看到，甚至某些“以地为参考”的信号也不能如实地使用单端技术来测量。

如果地线不成其为地线
我们都听说过“接地环路”，书本上教我们避免“接地环路”。但接地环路是怎样破坏示波器测量的呢？当两条或多条单独的接地通路聚结于两点或多点时，将会产生接地环路。其结果是导体连成了一个环。当出现变化的磁场时，这个环就成了变压器的次级，其本质是一个短路线匝。在其附近传送非直流电流的任何导体都可以产生激励这个变压器的磁场。主配线中的交流线电压、甚至数字集成电路的输出引线，都可能产生这种激励。在环路中循环的电流会在环路内任何阻抗的两端产生电压。这样，在任何给定的瞬间，接地环路中的不同点将不处在同一电位。把示波器探头的地线连接到被测电路的地上，如果电路“接地”到大地，就会形成接地环路（参见图2）。循环电流作用在探头通路内部的阻抗上会在其中产生电压电位。

图1. 在测试点TP1 和TP2 之间测量开关电源中的栅极驱动信号。两点都没有接地。

图2. 示波器探头形成的接地环路。示波器的金属机箱和被测器件连接到安全地和内部电源公用线上。示波器探头地则通过输入端BNC 连接器连接到示波器机箱上。

这样，示波器输入端BNC 连接器上的“地”电位就不同于被测电路中的地电位（也就是说“地线不成其为地线”）。这种电位差可以是几微伏，也可以高达几百毫伏。由于示波器以输入端BNC 连接器外壳作为测量参考点，故显示的波形可能并不代表探头输入端上的实际信号。当被测信号的幅度下降时，误差会变得更加明显，这在传感器和生物医学测量中十分常见。
在这些情况下，人们经常会去掉探头的接地线。只有在测量频率极低的信号时，这种方法才有效。在较高的频率上，探头开始在信号中增加因谐振电路（由触点电容和屏蔽电感组成）产生的“环”（参见图3）。(正因为如此，您永远要使用尽可能短的地线。)

图3. 探头触点电容和接地电感形成的串联谐振电路。

我们现在遇到了一种两难的情况：造成接地环路，在测量中增加误差；或去掉探头地线，在波形中增加环！为了断开接地环路而经常试用的第二种方法是“浮动”示波器或“浮动”被测电路。“浮动”是指在被测设备上或在示波器上使安全接地的导线开路从而断开与大地的连接。浮动示波器或浮动被测设备（DUT）之后，便可利用短地线使环达到最小，而且不会产生接地环路。

这种作法本身具有危险性，因为在主配线发生短路时，它会使电击保护措施失效。（某些专用电池操作的便携式示波器采用绝缘材料，可以安全进行浮动测量。） 在严格接地的示波器（或被测设备）的电源线中放一个合适的接地故障断路器（GFCI），可以恢复操作人员的安全。但要知道，如果没有低阻抗的接地连接，示波器的放射辐射和传导辐射现在可能会超过政府标准，也会给测量本身造成干扰。在较高的频率上，断开接地线也