示波器探頭基礎(chǔ)入門指南(上)

這里要介紹幾個(gè)概念，以便大家能夠更好的理解共模抑制比CMRR。

共模（Common Mode）：差分信號(hào)兩端具有相同幅度和相位的信號(hào)成分，用表達(dá)式表示為Vcm =（Vin+ + Vin-）/2.

由于理想的Vin+、Vin-幅度相同，相位相反，所以二者相加應(yīng)該為零。但在實(shí)際工作環(huán)境下，Vin+、Vin-上會(huì)疊加上噪聲干擾Vnoise。由于Vin+、Vin-所處環(huán)境相同，因而在二者上疊加的噪聲也往往相同，所以由CM表達(dá)式可知：CM = Vnoise.

差模（Differential Mode）：差分信號(hào)兩端不同的信號(hào)成分，用表達(dá)式表示為Vdm = Vin+ - Vin-.

共模抑制（Common Mode Rejection）：差分放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，即差分放大器的一項(xiàng)主要能力是對(duì)Vnoise進(jìn)行抑制消除。如果共模電壓Vcm經(jīng)過差分放大器的增益為Acm，差模電壓Vdm經(jīng)過差分放大器的增益為Adm，則我們可以用共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）即CMRR來表示共模抑制能力，其表達(dá)式為：

CMRR = Adm / Acm

舉例如下圖：差模信號(hào)Vdm幅度為1V，經(jīng)過差分放大器后幅度為2V，即Adm = 2. 共模信號(hào)Vcm幅度為4.5V，經(jīng)過差分放大器后幅度抑制為0.45V，即Acm=0.1. 因此，CMRR =2 / 0.1 = 20：1 = 26dB。

圖14 差分信號(hào)測(cè)試舉例

對(duì)于理想的差分放大器而言，我們希望其完全抑制共模信號(hào)，從而消除噪聲Vnoise對(duì)差分信號(hào)測(cè)量的影響。對(duì)于一般的差分信號(hào)測(cè)量而言，20dB的CMRR已經(jīng)足夠，而R&S RT-ZD40的CMRR可達(dá)50dB，性能非常優(yōu)異。

圖15 R&S RT-ZD40有源差分探頭

值得一提的是，R&S的有源單端探頭和有源差分探頭上都配備了MicroButton多功能按鈕和ProbeMeter探頭計(jì)功能。其中，MicroButton是位于有源探頭前段的一個(gè)微型按鈕，用戶可以在測(cè)試時(shí)很方便的按動(dòng)按鈕，從而執(zhí)行對(duì)示波器的特定控制（可自定義），如：自動(dòng)設(shè)置、默認(rèn)設(shè)置、單次運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行等。

圖16 MicroButton多功能按鈕

ProbeMeter則是集成在有源探頭前端的16位DC電壓計(jì)，可用來直接在探頭點(diǎn)處測(cè)試直流電壓，這與其他廠家使用探頭捕獲波形然后輸送到示波器，進(jìn)而對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量得到DC數(shù)值的方案完全不同。很顯然，ProbeMeter摒除了探頭傳輸?shù)氖д嬗绊?，從而具備?.1%的高精準(zhǔn)度。在使用差分探頭時(shí)，可以借助此功能方便快捷查看單端、共模、差模電壓數(shù)值。

圖17 ProbeMeter探頭電壓計(jì)

有源差分探頭可用于絕大多數(shù)較小幅度差分信號(hào)的測(cè)量，但對(duì)于幅度達(dá)上百甚至上千幅的高壓差分信號(hào)而言，有源查分探頭就顯得力不從心了。此時(shí)我們只能借助于高壓差分探頭的幫忙，相對(duì)于一般差分探頭而言，高壓差分探頭具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，能夠承受更高的電壓。

圖18 R&S RT-ZD01 ±1400V 高壓差分探頭

高壓差分探頭相對(duì)于無源高壓探頭而言價(jià)格昂貴，因此有用戶在測(cè)試高壓差分信號(hào)時(shí)會(huì)選擇將示波器的電源接地線剪斷，使示波器“浮起來”進(jìn)行測(cè)試，這是非常危險(xiǎn)的，一定要杜絕此類行為。我們將在第二部分詳細(xì)說明。

電流探頭嚴(yán)格意義上說也屬于有源探頭的一種，幾乎所有的電流探頭在使用過程中都需要供電。電流探頭主要分為三類：AC（僅能測(cè)試交流電）、DC（僅能測(cè)試直流電）、AC+DC。而目前大多數(shù)電流探頭都具備了AC+DC的測(cè)量功能。