使用差分探头和差分线分别如何使用示波器测量差分信号
概述
在现代电子测试和调试过程中，差分信号被广泛应用于高速通信、数据传输和电源管理等领域。差分信号由于其优异的抗干扰能力，能够在复杂环境中保持高质量的数据传输。然而，准确测量和分析差分信号对测试设备和方法提出了较高的要求。本文将详细介绍如何使用差分探头和差分线分别进行差分信号的测量，同时探讨各自的优势和局限性。
差分信号的特点
定义与优势
差分信号指的是通过两根导线之间的电压差来传输数据，而不是单端信号那样相对于地传输。这种方式的主要优势包括：
1. 抗干扰能力强：差分信号对于共模噪声有很好的抑制效果，因为任何外界干扰同时作用于两根导线时，它们之间的电压差不会发生变化。
2. 信号完整性好：差分信号具有较小的电磁辐射，减少了对周边电路的干扰，同时提高了自身的信号完整性。
3. 适用于高频和高速场景：由于其良好的抗干扰特性，差分信号常被用于高速数据传输，如USB、HDMI、千兆以太网等。
上图为使用普源精电DHO4000测量的一对差分信号，右侧为通过计算得到的差分信号
使用差分探头测量差分信号
差分探头简介
差分探头是一种专门设计用于测量差分信号的测试工具。它包含两个输入端子，用于连接到差分信号的两条导线上，通过内部电路计算出两者之间的电压差并输出给示波器。
上图为普源精电PVA80000系列的差分探头
差分探头的优点
1. 简便易用：只需将探头连接到差分信号线上，无需额外设置，非常方便。
2. 高准确度：差分探头能提供高精度的信号测量，适用于各种精密测试。
3. 宽带宽：高级差分探头通常具备宽带宽，能够捕捉高频信号。
测量步骤
1. 选择合适的探头：根据待测信号的频率和幅度选择合适的差分探头，确保其带宽和输入范围满足要求。
2. 连接探头：将差分探头的两个输入端分别连接到差分信号的正负两条线上，确保接触良好。
3. 校准探头：按照探头说明书进行校准，以消除系统误差，提高测量准确度。
4. 设置示波器参数：
· 带宽：设置示波器的带宽，确保能覆盖信号频谱范围。
· 采样率：采样率应至少为信号频率的十倍，以保证信号完整性。
· 触发条件：设置触发条件，如上升沿触发或特定信号触发，确保稳定捕捉信号。
5. 观察和分析信号：在示波器上观察差分信号的波形，进行所需的时域和频域分析。
上图为RIGOL USB2.0一致性测试时使用差分探头PVA8700的接法
使用差分线测量差分信号
差分线法简介
差分线法是通过使用两个单端探头分别测量差分信号的正负两个导线，然后在示波器上设定数学运算，将这两个通道的数据相减得到差分信号的方法。
差分线法的优点
1. 灵活性高：不受限于特定的差分探头，适用于大多数示波器。
2. 成本较低：利用现有的单端探头即可实现差分测量，降低了测试成本。
测量步骤
1. 准备单端探头：选择两个性能一致的单端探头，确保其带宽和输入范围适合待测信号。
2. 连接探头：将两个单端探头分别连接到差分信号的正负两条线上，并确保接触良好。此外，还需将示波器的公共参考端（地）接到信号的参考地。
3. 设置示波器参数：
· 带宽：设置示波器的带宽，确保能覆盖信号频谱范围。
· 采样率：采样率应至少为信号频率的十倍，以保证信号完整性。
· 触发条件：设置触发条件，如上升沿触发或特定信号触发，确保稳定捕捉信号。
4. 通道配置：在示波器上启用两个通道，分别对应两个单端探头输入的信号。
5. 数学运算设置：在示波器菜单中选择数学运算功能，设置对应的通道相减（如Ch1 - Ch2），得到差分信号的波形。
6. 观察和分析信号：在示波器上观察经过数学运算后的差分信号波形，进行所需的时域和频域分析。
上图为RIGOL USB2.0一致性测试时使用差分线的接法
比较与总结
优势与局限性比较
项目 差分探头 差分线法
优点 1. 简便易用2. 高准确度3. 宽带宽 1. 灵活性高2. 成本较低
局限性 1. 成本较高2. 需要专用探头 1. 操作复杂2. 精度有限
适用场景 高精度、高带宽的差分信号测量 一般精度、低成本的差分信号测量
注意事项
无论采用哪种方法，在进行差分信号测量时，都需要注意以下几点：
1. 探头匹配：确保使用的探头和示波器带宽、采样率匹配，避免因测量设备性能不足导致信号失真。
2. 接地问题：正确接地能够有效减少噪声干扰，提高测量的准确性。
3. 信号完整性：在高频测量中，应特别注意信号路径的完整性，避免引入反射和损耗。
实际应用案例
通信系统调试
在高速通信系统（如千兆以太网和光纤通信）中，差分信号被广泛应用。在调试这些系统时，通过差分探头或差分线法进行信号测量，可以帮助工程师快速发现和解决信号质量问题，如抖动、码间串扰和信号衰减等。
电源管理系统设计
在电源管理系统中，差分信号用于传输精确的电压和电流监控信息。通过高精度的差分探头进行测量，可以确保系统设计符合规范，满足高可靠性的要求。
集成电路测试
在集成电路（IC）设计和测试过程中，差分信号用于芯片间的高速数据传输。使用示波器和差分探头进行测量，可以评估信号的传输质量，优化芯片布局和布线。
总结
在现代电子测试中，差分信号的测量至关重要。差分探头和差分线法作为两种主要的测量方法，各有优劣。差分探头操作简便、精度高、带宽宽，适用于高精度测量；而差分线法具有灵活性高、成本低的优点，更适合一般情况下的差分信号测试。无论使用哪种方法，掌握正确的测量步骤和注意事项，都能有效提升测量的准确性和效率。在实际应用中，根据具体需求选择合适的方法和工具，使差分信号测量更加高效和可靠。
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差分信号一般应用于高速率、长距离通信，采用差分形式一方面是降低共模噪声，另一方面是正负两端波形反相，也就是说两个波形相加结果为零，此时对外界的共模干扰也是最小的。
通过示波器评估差分信号有两种方式，一种是根据差分相减测量时钟眼图抖动等等，另一种可以通过差分信号相加来评估它的两路信号延迟、对外部的共模干扰等。
示波器测量差分信号的演示视频网页链接
要精准的测量差分信号的话，需要差分探头。如果没有差分探头的话，需要用普通探头也是可以的。如我们用的ZLG致远电子ZDS2022示波器上，打开Math功能，选择其中的基本运算中的减法。让CH1-CH2，对运算得到的结果进行分析即可。此过程中要注意两个探头需要保持设置一样。
有专用的差分探头。
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