差分信號(hào)的測量方法

王征宇，章少云

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035；2.日松微電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

1 引言

計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子工業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)著越來越多的信號(hào)協(xié)議由單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而差分信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求對應(yīng)的測試測量單元也必須是差分拓?fù)?，由此形成了多種多樣的測試手段。本文簡述了工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ罘中盘?hào)進(jìn)行測量的幾種主要測試方法，并著重介紹了其中一種較為簡單實(shí)用的測試方法及其應(yīng)用。

2 差分信號(hào)

2.1 差分信號(hào)的描述

從嚴(yán)格意義上講，所有電壓信號(hào)都是差分的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓只能相對于另一個(gè)電壓而言。在某些系統(tǒng)里，系統(tǒng)“地”被用作電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。當(dāng)“地”作為電壓測量基準(zhǔn)時(shí)，這種信號(hào)規(guī)劃被稱為單端的，使用該術(shù)語是因信號(hào)采用單個(gè)導(dǎo)體上的電壓來表示，當(dāng)信號(hào)分別作用在兩個(gè)導(dǎo)體上，將兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓差異以一個(gè)數(shù)值來表示時(shí)，這種信號(hào)則被稱為差分信號(hào)。

2.2 差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在四個(gè)方面：易識(shí)別小信號(hào)、抗電磁干擾、信號(hào)處理精確、時(shí)序定位精確。

2.2.1 易識(shí)別小信號(hào)

因?yàn)榭梢钥刂啤盎鶞?zhǔn)”電壓，所以很容易識(shí)別小信號(hào)。在一個(gè)“地”做基準(zhǔn)、單端信號(hào)方案的系統(tǒng)里，測量信號(hào)的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)“地”的一致性。信號(hào)源和信號(hào)接收器距離越遠(yuǎn)，它們局部“地”的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號(hào)恢復(fù)的信號(hào)值在很大程度上與“地”的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

2.2.2 抗電磁干擾

它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個(gè)干擾源幾乎相同程度地影響差分信號(hào)對的每一端。既然電壓差異決定信號(hào)值，這樣將忽視在兩個(gè)導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號(hào)比單端信號(hào)生成的 EMI 還要少。由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合得越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

2.2.3 信號(hào)處理精確

在一個(gè)單電源系統(tǒng)，能夠從容精確地處理“雙極”信號(hào)。為了處理單端、單電源系統(tǒng)的雙極信號(hào)，必須在“地”和電源干線之間某任意電壓處（通常是中點(diǎn)）建立一個(gè)“虛地”。用高于“虛地”的電壓來表示正極信號(hào)，低于“虛地”的電壓來表示負(fù)極信號(hào)。接下來，必須把“虛地”正確地分布到整個(gè)系統(tǒng)里。而對于差分信號(hào)，不需要這樣一個(gè)“虛地”，這就使處理和傳播雙極信號(hào)有一個(gè)高逼真度，而無須依賴虛地的穩(wěn)定性。

2.2.4 時(shí)序定位精確

由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝、溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。

3 差分信號(hào)的測量方法

由于差分信號(hào)本身所具有的特殊性，對它的測量也相應(yīng)異于普通的單端信號(hào)。目前工程技術(shù)領(lǐng)域中主流測試方法有如下幾種：

3.1 差分探頭

通常測量時(shí)使用的是有源差分探頭，探頭的前端有一個(gè)高帶寬、需要供電的放大器，這樣可以提供比較高的輸入阻抗以及更高的帶寬。與單端探頭相比，差分探頭具有更高的共模抑制比，當(dāng)存在很大的共模噪音時(shí)，無疑用差分探頭來測量將更為精確；此外，由于差分探頭的兩個(gè)輸入端都不存在接地的問題，兩路輸入信號(hào)的差分運(yùn)算在探頭前端放大器完成，傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ赖男盘?hào)是已差分后的電壓，示波器無需去掉三線插頭的接地端即可實(shí)現(xiàn)安全的浮地測量，這樣就避免了切斷標(biāo)準(zhǔn)三頭AC插座地線或使用一個(gè)交流隔離變壓器進(jìn)行浮地測量時(shí)，有可能產(chǎn)生的儀器和被測器件損壞，甚至人身傷害。Tektronix、Agilent等公司都有適用于測量各種類型差分信號(hào)的差分探頭。但相對而言，差分探頭價(jià)格較貴，使用不大方便，不便于在狹窄的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行探測或用多個(gè)探頭連接非常近的多個(gè)測試點(diǎn)，而且?guī)捯草^窄。

3.2 隔離輸入示波器

與常規(guī)示波器相比，隔離輸入示波器具有二或四通道隔離浮動(dòng)或差分安全測試能力，使用電池電源或是通過交流電源適配器連接到交流電源，使示波器的輸入始終是浮動(dòng)的?！案?dòng)”參考接地的示波器是通過使接地系統(tǒng)無效或使用隔離變壓器，將“信號(hào)公共線”從地面斷開，使示波器保護(hù)性接地系統(tǒng)無效的一種技術(shù)。在當(dāng)今使用的寬帶示波器系統(tǒng)中，最常用的隔離方法是雙路方法，將輸入信號(hào)分為兩個(gè)信號(hào)：低頻和高頻。該方法需要每個(gè)輸入通道都具有昂貴的光耦合器和寬帶線性變壓器。另外還有一種創(chuàng)新的IsolatedChannel技術(shù)，取消了雙路方法，而對每個(gè)從直流到示波器帶寬的輸入通道僅使用一個(gè)寬帶信號(hào)通路。這項(xiàng)技術(shù)使隔離通道輸入體系結(jié)構(gòu)向“正”輸入和“負(fù)基準(zhǔn)”導(dǎo)線（包括外部觸發(fā)輸入）提供了真實(shí)且完整的通道間隔離，把寄生效應(yīng)的影響降到最低。Tektronix的TPS2000系列多功能數(shù)字隔離示波器就是這樣一款采用IsolatedChannel技術(shù)、具有四個(gè)獨(dú)立隔離通道并使用電池供電的數(shù)字隔離示波器。

3.3 帶差分信號(hào)測量單元的測試系統(tǒng)

為滿足多種測試需求，某些測試系統(tǒng)也同樣配備了差分信號(hào)測量單元，具備差分信號(hào)測量能力。如Agilent 93000 Pin Scale系統(tǒng)上的每個(gè)PIN腳都提供了單端和差分I/O測試功能，適于被測器件的自動(dòng)、大批量生產(chǎn)測試。

3.4 其他簡單的測量方法

3.4.1 “準(zhǔn)差分方式”

很多示波器都能夠用內(nèi)置的功能進(jìn)行最簡單的差分測量。這種方式叫做“chanel A－chanel B”（通道A減通道B）方式或者“準(zhǔn)差分”方式。雖然性能上受到限制，這項(xiàng)技術(shù)還是適合一些測量需求的。為了進(jìn)行差分測量，要使用兩個(gè)垂直通道，一個(gè)用于正輸入，一個(gè)用于負(fù)輸入。用于負(fù)輸入的通道被設(shè)置成反轉(zhuǎn)方式，顯示方式則設(shè)置為“ADD Channel A + Channel B”（通道A加通道B）。為了正常工作，兩個(gè)輸入必須設(shè)定在相同的標(biāo)度系數(shù)，兩個(gè)輸入探頭也必須是同型號(hào)的，在顯示器上出現(xiàn)的就是兩個(gè)輸入端的差電壓。

3.4.2 差分輸入轉(zhuǎn)單端

常用的方法是采用由集成運(yùn)放外加反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的減法運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)差分輸入轉(zhuǎn)單端輸出，從而便于進(jìn)行差分信號(hào)的相關(guān)分析。

4 用差分放大電路測量差分信號(hào)的應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際工作中，由于硬件資源有限，測試系統(tǒng)不具備差分信號(hào)測量能力，而又需要對以差分信號(hào)形式作為輸出的器件進(jìn)行自動(dòng)化測試時(shí)，采用差分放大電路通過將差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單端信號(hào)，再用自動(dòng)測試系統(tǒng)對其進(jìn)行信號(hào)的采集、分析、測試，在一定意義上可以基本滿足此類器件的測試需要。

以四運(yùn)放集成電路LM324為例說明應(yīng)用此類電路測量差分信號(hào)的方法。LM324內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。引腳排列見圖2。主要參數(shù)見表1。

使用LM324進(jìn)行差分信號(hào)的測量時(shí)，可按實(shí)際需要適當(dāng)選取反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻值，以取得適用于測量分析的單端信號(hào)。此處采用的反饋網(wǎng)絡(luò)放大比例為1:1，即Vo=Vs2-Vs1。電路圖見圖3。

圖1 內(nèi)部獨(dú)立的運(yùn)放示意圖

圖2 LM324功能引腳圖

表1 主要參數(shù)

圖3 用LM324將差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單端信號(hào)的應(yīng)用實(shí)例

圖4和圖5分別為轉(zhuǎn)換前的差分信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的單端信號(hào)。

這樣就能夠在LM324的OUT1腳得到接近差分輸入信號(hào)（Vs2-Vs1）的較為近似的單端信號(hào)了，然后可以方便地用自動(dòng)測試系統(tǒng)采集該信號(hào)，通過對抓取到的信號(hào)進(jìn)行失真度、信噪比等參數(shù)的測試，可基本做到對原差分信號(hào)的等效評估。此方法雖然因受限于運(yùn)放本身的參數(shù)性能，無法對待測差分信號(hào)進(jìn)行十分精確的測量，但在測試資源有限的條件下更為經(jīng)濟(jì)、便捷，且簡單、實(shí)用。

圖4 轉(zhuǎn)換前的差分輸入信號(hào)

圖5 轉(zhuǎn)換后的單端輸出信號(hào)

5 結(jié)束語

差分信號(hào)在工程技術(shù)領(lǐng)域的使用極其廣泛，對其進(jìn)行測量的手段也多種多樣。本文介紹了測量差分信號(hào)的幾種主要方法，并著重介紹了其中一種較為簡單實(shí)用的測試方法及其應(yīng)用實(shí)例，便于在測試資源有限的條件下實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測量。

[1]Neamen,D A.電子電路分析與設(shè)計(jì)——模擬電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2009.118-167.

[2]蔡國發(fā)，章杰，等.差分對信號(hào)完整性分析[J].電子測量技術(shù)，2012，（01）：33-36.