示波器的差分信号测量

平衡信号
有些系统使用的信号本质上就是差分信号。当信号两端共有同一的驱动阻抗时就认为这两端是平衡的。平衡系统在专业音频设备、电话和磁记录系统（模拟与数字存储器）中是很普遍的，这里仅给出少数几例。差分信号在高速数字系统中也分布得越来越普遍。如果对这种信号一次测量一端并将结果“相加”，那么这种低效率的尝试充其量是一种容易出错的方法。当只有信号的一端承载探头时能量就经常转移到未被测量的一端。以差分方法测量平衡系统可以得到信号的真实描述。

传感器
差分测量普遍应用于传感器系统。由于信号幅度小，还需要消除接地环路，所以就排除了使用单端测量的可能性。“传感器”一词使人想到了用于测量机械现象的设备，如测量加速度、振动、压力等等。差分测量技术的应用已超出了这一范围，还包括视频和医学成象器、麦克风、化学传感器，等等，不一而足。
电阻值可以发生变化的传感器经常工作在所谓平衡桥的配置中（参见图13）。这种配置是利用三个已知电阻器和传感器构成一对分压器。桥电路电源为这对分压器提供偏压，而在分压器的抽头之间进行差分式的电压测量。这种配置的好处是消除了电源波动的影响。在系统被激励之前，传感器经常生成一个代表其稳态的直流输出电压。为了获得高分辨率，最好是将直流成分去掉。如果需要测量极低的频率成分（2 Hz），在放大器输入端采用交流耦合是无效的。为了适应这种需求，很多高增益差分放大器都有差分偏移功能。这种功能实际上是在一个输入端串接一个浮动的可调电源，这样就允许放大器保持直流耦合。偏移控制的范围相当大，在较高的增益设置中可达到±100 万分度。

生物物理测量
警告: 不要在人体上接入包括差分放大器在内的任何电子仪器，除非这种仪器是专为人而设计的。合适的设备应被确认符合由所在国批准的专门的法规。
测量神经活动所形成的电信号面临着诸多挑战。这种信号的幅度极低，常常小于1 毫伏。共模成分可能比有用信号大几百倍甚至几千倍。源阻抗也相当高。差分信号通常被高幅度的噪声破坏。所幸的是高增益差分放大器可以用来测量这些信号。1,000,000:1 或者更高的CMRR 指标可以有效地消除共模成分。
为了应付输入信号的高阻抗，可将放大器的输入电阻配置为无限大。（注意：如果标本未经其他设备接地，应当使用通过100kΩ电阻接地的单独的探头以便减少共模范围超载的机会。）皮肤触点一般采用银/ 氯化银电极。这样可以建立与皮肤的离子连接，还可生成半电池电压为400 mV的伽伐尼电池用以给测量加入偏置电压。放大器的差分偏移可用于去除偏压同时又保持低频响应特性。由于大多数生物物理活动发生在20 Hz 以下的频率，可以利用有限带宽滤波器减少高频差分噪声但不会使有用信号发生改变。

维持测量的完整性
测量的误差源
像其他的测量方法一样，差分测量也受到产生误差的条件的制约。这些误差在结果中也许很明显，也许并非显而易见，还有可能被误认为是想要的测量结果。下面将讨论一些比较常见的误差源。为了了解产生误差的原因和避免的方法，首先需要对差分示波器或探头的内部运行情况有一个基本的了解。

系统的核心是差分放大级（参见图14）。其图示符号与运算放大器相同。差分放大器像运算放大器一样可以抑制输入的共模信号而只放大两个输入端的电压差。与运算放大器不同的是，差分放大器具有已知的、有限的增益。在有些配置中，增益可由用户选择。输出是单端的，而且以地为参照。为了获得很高的阻抗，输入部分常采用FET（场效应管）。输入信号可以通过高阻抗的衰减器以便使大信号减小到放大器可以处理的范围。对于衰减器的要求要比单端放大器高得多。两端必须有相同的直流和交流衰减。衰减量的不匹配对CMRR具有第一位的影响。例如，为了保持100,000:1 的CMRR指标，衰减器的匹配度必须好于十万分之一（0.001%）；这样就在差分放大器中不给误差留下余地！当然，还需要从信号源开始全程保持这种匹配度。

图14. 带衰减器的差分放大器简图。

输入连接
一般来说，差分放大器或探头与信号源的互连是产生误差的最大来源。为了维持输入的匹配，两个通道应尽可能一样。两个输入端的任何接线的都应长度相同。如果使用探头，其型号与长度也应相同。在测量高共模电压的低频信号时，应避免使用带衰减的探头。在高增益时则完全不能使用这种探头，因为不可能精地平衡它们的衰减量。当高电压或高频率的应用需要衰减时，应使用为差分放大器专门设计的专用无源探头。这种探头具有能精密调整直流衰减和交流补偿的装置。为获得最佳的性能，每一个特定的放大器都应专用一套探头，而且要根据这套探头附带的程序针对该放大器进行校准。
一种常用的方法是将+ 和- 输入缆线成对绞扭在一起。这样可减少拾取线路频率干扰和其他噪声的可能。以间隔方式布线的输入缆线（参见图15）的作用相当于变压器的一个线圈。穿过这个环路的任何交流磁场都会感应出一个电压，此电压作为差分成分出现在放大器的输入端，而且会如实地合计到输出上去！若将输入引线铰接在一起（如图16），则感应电压往往出现在VCM 通道，可以被差分放大器抑制。
在共模信号超量的高频测量中可以将两条输入线绕在铁氧体磁环上而得到改善。这样作可衰减两个输入端共有的高频信号。由于差分信号是在两个方向上穿过磁芯，因此不受影响。