簡(jiǎn)易數(shù)字控制高速差分探頭設(shè)計(jì)*

陳　松，榮　軍，尹世強(qiáng)（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006）

簡(jiǎn)易數(shù)字控制高速差分探頭設(shè)計(jì)*

陳松，榮軍*，尹世強(qiáng)
（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006）

設(shè)計(jì)了有源高速差分示波器探頭，實(shí)現(xiàn)了差分輸入、單端輸出功能。該差分探頭的設(shè)計(jì)采用可控增益芯片VCA822，實(shí)現(xiàn)了雙端信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)以及差分探頭1倍和10倍檔的設(shè)置功能。差模信號(hào)源的設(shè)計(jì)采用了高速和低噪聲全差分運(yùn)算放大器LMH6550，實(shí)現(xiàn)了完全對(duì)稱的差模信號(hào)源輸出且共模電壓可調(diào)功能。測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定且差分探頭具有高共模抑制比，探頭在DC～20MHz頻帶內(nèi)的增益起伏不大于1 dB，完全滿足一般高校電工電子實(shí)驗(yàn)要求。

數(shù)字控制；差分信號(hào)；差分探頭；差模信號(hào)源

探頭是示波器測(cè)量信號(hào)不可缺少的附件，測(cè)試信號(hào)時(shí)所選用探頭的類型、與示波器匹配與否對(duì)示波器的測(cè)量的質(zhì)量至關(guān)重要。目前最為常用的探頭為無(wú)源高阻探頭，這類探頭盡管價(jià)格低且簡(jiǎn)單輕巧，但它的容性效應(yīng)較明顯、測(cè)量帶寬頻段低、抗干擾能力差，因此應(yīng)用場(chǎng)合也受到了相應(yīng)的限制。而差分探頭具有較高的頻率帶寬、輸入電容非常低的特點(diǎn)，尤其是具有很高的共模抑制比，因此非常適合測(cè)試高速差分信號(hào)［1-4］。高速差分探頭在高頻信號(hào)測(cè)量、小信號(hào)測(cè)量以及電磁干擾環(huán)境測(cè)量的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，盡管目前市場(chǎng)上生產(chǎn)差分探頭的廠商很多，但其性能指標(biāo)不盡相同，甚至相差較遠(yuǎn)。加上使用者對(duì)差分探頭的了解不夠，有可能導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)未能正確、保真地傳到示波器，得到非真實(shí)的波形。針對(duì)此缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款測(cè)量精確、性價(jià)比高以及簡(jiǎn)單易用的高速差分探頭。

1　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及理論分析

本文設(shè)計(jì)并制作一個(gè)有源高速差分示波器探頭，它能夠?qū)崿F(xiàn)差分輸入以及單端輸出功能，并且制作了一個(gè)測(cè)試差分探頭的差模信號(hào)源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可畫(huà)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。差模信號(hào)源部分，單端從IN（同圖1中的Vin）輸入經(jīng)過(guò)全差分運(yùn)放后得到相位差為180°的兩路信號(hào)OUT+和OUT-（同圖1中的VA、VB）。這兩路信號(hào)即為測(cè)試差分探頭所需的差模信號(hào)，在差分探頭部分，差模信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配級(jí)后經(jīng)過(guò)程控衰減器后即得到單端信號(hào)經(jīng)過(guò)固定增益放大器輸出的OUT信號(hào)（同圖1中的VE）即為傳輸給示波器的信號(hào)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

圖2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

2　理論計(jì)算與分析

2.1差模信號(hào)和共模信號(hào)分析

差分式結(jié)構(gòu)電路如圖3所示［5］，T1、T2是BJT器件，由圖3可以看到有兩種電流信號(hào)，一種是從I1端到I2端的差模輸入電流信號(hào)iid，另一種是從兩管的I1和I2端流入電流源的共模輸入電流信號(hào)iic。

圖3　差分式結(jié)構(gòu)電路

實(shí)際上，電流信號(hào)是由輸入電壓信號(hào)產(chǎn)生的，因此差模信號(hào)的共模信號(hào)一般是用電壓信號(hào)來(lái)描述的。輸入電壓Vi1和Vi2之差稱為差模電壓，用式（1）來(lái)定義：

同理，兩輸入電壓Vi1和Vi2的算數(shù)平均值稱為共模電壓，定義為：

當(dāng)用差模和共模電壓表示兩輸入電壓時(shí)，由式（1）和式（2）聯(lián)立可得：

由上面兩式可知，兩輸入端的共模信號(hào)iic的大小相等，而極性是相同的，而兩輸入端的差模電壓+Vid/2和-Vid/2的大小相等而極性則是相反的。T1、T2加入信號(hào)電壓Vi1和Vi2產(chǎn)生的差模輸入電流和共模輸入電流與圖3所表示的流向一致。

類似地，對(duì)于兩管的差模輸出電壓和共模輸出電壓由式（5）和式（6）所示：

式中單管的輸出電壓分別為：

通常，要求設(shè)計(jì)出這樣一種放大器，當(dāng)它放大差模電壓信號(hào)時(shí)就有較高的電壓增益，而對(duì)于共模電壓信號(hào)則顯現(xiàn)出低得多的電壓增益。在差模信號(hào)和共模信號(hào)同時(shí)存在的情況下，對(duì)于線性放大電路來(lái)說(shuō)，可借助疊加原理來(lái)求出總的輸出電壓，即：

式中Aυd=Vod/Vid為差模電壓增益；Aυc=Voc/Vic為共模電壓增益。

2.2差分探頭技術(shù)指標(biāo)理論

2.2.1共模抑制比

共模抑制比定義為差模信號(hào)增益Adm與共模信號(hào)增益Acm之比的絕對(duì)值。共模抑制比直接體現(xiàn)了差動(dòng)放大電路中對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，差模電壓與共模電壓的示意圖如圖4所示［6］。

圖4　差模電壓與共模電壓示意圖

由圖4可知，差模電壓Vdm由差模放大器兩輸入端電壓值相減而得，其增益用Adm表示；共模電壓Vcm用差模放大器兩端的電壓平均值來(lái)表示，其增益用Acm表示。共模抑制比計(jì)算公式如式（9）。

從式（9）來(lái)看，在理想情況下如果共模增益Acm值為0，則共模抑制比KCMRR趨于無(wú)窮大，但現(xiàn)實(shí)情況下差動(dòng)電路對(duì)信號(hào)處理不可能做到完全對(duì)稱。所以無(wú)法得到共模抑制比為無(wú)窮大的理想電路。在實(shí)際應(yīng)用中，差模增益越大，而共模增益越小，則共模抑制比越大，說(shuō)明放大器抑制共模信號(hào)的效果越好。

差分探頭的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方案并不能抑制所有共模信號(hào)，些許共模信號(hào)的誤差信號(hào)可能混雜在差分信號(hào)中難以去除掉。共模抑制能力也會(huì)隨輸入頻率升高而降低。

差分探頭在實(shí)際使用過(guò)程中，其共模抑制比會(huì)隨著不同的測(cè)量環(huán)境而改變，比如電路的對(duì)稱性、被測(cè)信號(hào)頻率不同、探頭與示波器的匹配等。我們知道探頭共模抑制能力越強(qiáng)越好，平常的差分探頭共模抑制比一般在60 dB～80 dB左右，甚至可達(dá)120 dB。但被測(cè)信號(hào)頻率的增大會(huì)導(dǎo)致共模抑制比逐漸變小。因?yàn)樾盘?hào)邊沿會(huì)隨著信號(hào)頻率的增大而在跳變時(shí)產(chǎn)生偏差，從而增加了共模電壓成分，示意圖如圖5所示。

圖5　高頻信號(hào)導(dǎo)致共模電壓增加

共模抑制比是衡量差分探頭的一個(gè)非常重要指標(biāo)，如果差分探頭的共模抑制比未達(dá)到所需指標(biāo)，共模電壓將會(huì)疊加到差分電壓上，從而造成測(cè)量上的誤差。

2.2.2差分探頭帶寬分析

在考慮測(cè)量帶寬問(wèn)題時(shí)應(yīng)衡量示波器與探頭的帶寬指標(biāo)組合，應(yīng)同時(shí)滿足需求，這里只討論探頭的帶寬問(wèn)題。

探頭的帶寬決定了探頭的使用頻段。探頭的帶寬是指探頭響應(yīng)導(dǎo)致輸出幅度下降到70.7%（-3 dB）的頻率，如圖6所示。探頭的帶寬在很多場(chǎng)合影響到信號(hào)的精確測(cè)量。因此在測(cè)量信號(hào)時(shí)，要根據(jù)信號(hào)的帶寬需求來(lái)選擇示波器和探頭。當(dāng)測(cè)量信號(hào)逐漸接近探頭帶寬上限，信號(hào)幅度會(huì)逐漸衰減。當(dāng)測(cè)量的信號(hào)接近帶寬上限時(shí)，測(cè)得的幅度約為實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%。所以，在進(jìn)行信號(hào)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意，選用帶寬指標(biāo)比實(shí)際測(cè)量信號(hào)最高頻率高幾倍的探頭。

圖6　帶寬響應(yīng)曲線圖

在測(cè)量波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間時(shí)也同樣注意探頭的帶寬問(wèn)題。比如測(cè)量方波沿變時(shí)間，由于方波是比它自身頻率高很多的正弦波組成的。帶寬限制使這些高頻成分產(chǎn)生了衰減，以至于測(cè)得波形沿變慢于實(shí)際沿邊時(shí)間。因此為了精確測(cè)量波形的沿變時(shí)間，使用的探頭必須遠(yuǎn)高于實(shí)際被測(cè)信號(hào)的最高頻率，以保證組成被測(cè)信號(hào)的最高頻率未被衰減。通常情況下，測(cè)量信號(hào)沿變時(shí)間時(shí)，探頭測(cè)量沿變能力應(yīng)為被測(cè)量信號(hào)沿變時(shí)間的4倍～5倍。

3　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1單端轉(zhuǎn)雙端放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求自制一個(gè)差模信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)單端輸入轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)輸出；采用TI公司的高速全差分運(yùn)算放大器LMH6550能很好的完成題目設(shè)計(jì)要求，同時(shí)滿足通頻帶和頻帶內(nèi)平坦度指標(biāo)。采用一級(jí)全差分運(yùn)算放大器LMH6550實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)輸入雙端輸出。

使用全差分運(yùn)放LMH6550實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分放大器，其原理如圖7所示。

圖7　LM H 6550典型應(yīng)用圖

其中：

根據(jù)題目要求自制一個(gè)差模信號(hào)源，為了使差模信號(hào)穩(wěn)定輸出，采用高速全差分運(yùn)放做差模信號(hào)源。設(shè)計(jì)電路原理圖如圖8所示，其中R2、R6和R7實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，R13可調(diào)節(jié)共模電壓。輸入端口通過(guò)50Ω的同軸電纜連接，以防電路產(chǎn)生自激震蕩，電阻、電容采用表貼封裝，以盡量縮短布線長(zhǎng)度。同時(shí)，確保50Ω的阻抗匹配以盡量減小干擾［7］。

圖8　差分信號(hào)源原理圖

3.2差分探頭電路設(shè)計(jì)

3.2.1頻帶內(nèi)增益起伏控制

對(duì)于頻帶內(nèi)增益起伏的控制，通過(guò)兩種方法共同作用來(lái)保證帶內(nèi)增益平坦。首先，使用增益平坦度較高的放大器來(lái)進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，所選放大器均具有遠(yuǎn)高于題目要求的增益平坦帶寬，從而可以保證放大器的帶內(nèi)增益平坦。

其次，在放大器級(jí)間插入阻容元件，對(duì)放大器進(jìn)行匹配，從而優(yōu)化放大器的傳輸參數(shù)，同時(shí)減少電路分布參數(shù)對(duì)放大器的幅頻特性影響。

3.2.2增益調(diào)整

電壓增益調(diào)整是本設(shè)計(jì)需要完成的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，根據(jù)題目要求增益具備×1倍、×10倍兩檔可調(diào)，為使系統(tǒng)發(fā)揮穩(wěn)定可靠，選用TI公司的可控增益放大器實(shí)現(xiàn)此功能。增益調(diào)節(jié)由衰減器程控衰減與可變?cè)鲆娣糯笃鱒CA822配合完成。其中，可控衰減器具備20 dB的衰減能力，VCA822具有接近40 dB的增益控制范圍，從而實(shí)現(xiàn)了×1倍、×10倍檔設(shè)定。增益控制由放大器VCA822，通過(guò)改變輸入控制電壓的值進(jìn)行增益調(diào)整。增益調(diào)整由式（10）確定：

式（10）通過(guò)改變?cè)鲆婵刂齐妷旱姆?，即可?shí)現(xiàn)增益的精確調(diào)整。

3.2.3阻抗匹配處理

由于本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)100 MHz帶寬，故而需對(duì)級(jí)間進(jìn)行阻抗匹配，以減小反射，降低駐波比，從而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低駐波系數(shù)，故對(duì)長(zhǎng)線進(jìn)行輸入輸出匹配，而對(duì)于短線，則不必進(jìn)行匹配從而犧牲總增益。進(jìn)行阻抗匹配可以分為電阻匹配和電抗匹配，也就是一般所說(shuō)的復(fù)阻抗匹配，也稱為共軛匹配。通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)電感或電容可將復(fù)阻抗變?yōu)閷?shí)際阻抗（電阻或電導(dǎo)）。

3.2.4差分探頭電路

為保證各芯片間電源不會(huì)相互干擾，采用板上二次穩(wěn)壓的方法對(duì)每個(gè)高速芯片進(jìn)行電源處理。除此之外，二次穩(wěn)壓后的電源在芯片進(jìn)線端，進(jìn)行去耦，保證電源干凈穩(wěn)定，從而提升電路性能。

差分探頭主要由專用壓控增益芯片VCA822組成，最大增益為 100倍，在本設(shè)計(jì)中，R12為1 kΩ，R11為 200Ω，設(shè)置其最大放大倍數(shù)為 10倍，正好滿足題目要求的增益為10倍，其電路圖如圖9所示［8-10］。

圖9　差分探頭電路圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：（1）自制一個(gè)用于測(cè)試差分探頭的差模信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)將單端信號(hào)Vin轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)輸出（VA和VB），單端信號(hào)Vin為正弦波，頻率范圍為DC～20 MHz，振幅為100mV～2 V；（2）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易差分探頭，其中輸入信號(hào)VC、VD對(duì)地電壓范圍為±4 V；（VC-VD）的最大輸入范圍為±4 V；（3）設(shè)定差分探頭的增益為10，測(cè)得的1 dB起伏帶寬范圍內(nèi)測(cè)量差分探頭的共模抑制比，要求在DC～1MHz的共模抑制比不小于40 dB，1MHz～20MHz的共模抑制比不小于32 dB。

4.1差模信號(hào)源測(cè)試

測(cè)試方法：差模信號(hào)源輸入動(dòng)態(tài)范圍：0V～10 V，增益：2，帶寬：DC～20MHz。將信號(hào)源輸入接任意波形發(fā)生器，輸出接示波器雙蹤探頭。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出差模信號(hào)源的放大倍數(shù)為2倍，且輸出直流分量在正負(fù)2V之間可手動(dòng)調(diào)節(jié)。

表1　差模信號(hào)源測(cè)試表格

4.2差分探頭帶寬測(cè)試

測(cè)試方法：將差分探頭增益設(shè)置為10倍，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器從輸入端輸入400mV（峰值電壓）的正弦波，頻率從1 kHz～30MHz變化，用示波器測(cè)試VE電壓值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出差分探頭的1 dB帶寬大于30MHz，超出指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

表2　帶寬測(cè)試結(jié)果

4.3差分探頭增益平坦度測(cè)試

測(cè)試方法：探頭增益設(shè)為10，輸入信號(hào)幅度200mV，用自制差模信號(hào)源做輸入，測(cè)試差分探頭增益平坦度（事先記錄差模信號(hào)源增益平坦度），測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出輸入頻率從1MHz到100MHz時(shí)，輸出誤差最大為2.2%。

表3　增益平坦度測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)了差模信號(hào)源與高速差分探頭，該探頭是示波器的重要組成部分。設(shè)計(jì)的差模信號(hào)源選用的核心器件為TI公司的低噪聲、高速全差分運(yùn)算放大器LMH6550，實(shí)現(xiàn)了單端信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)輸出、共模電壓可手動(dòng)調(diào)節(jié)功能；同時(shí)也可滿足通頻帶和頻帶內(nèi)平坦度指標(biāo)，差模信號(hào)源經(jīng)測(cè)試完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。另外，有源差分探頭設(shè)計(jì)采用了可控增益放大器VCA822，通過(guò)改變?cè)鲆婵刂齐妷旱姆?，?shí)現(xiàn)了1倍和10倍增益的精確調(diào)控，并可通過(guò)按鍵手動(dòng)該放大倍數(shù)；有源高速差分探頭結(jié)合自制的差模信號(hào)源，經(jīng)測(cè)試其共模抑制比在DC～1MHz范圍內(nèi)達(dá)到了40 dB以上，完全滿足了作品設(shè)計(jì)要求。由于設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)100MHz帶寬，故而需對(duì)級(jí)間進(jìn)行阻抗匹配，以減小反射，降低駐波比，從而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低駐波系數(shù)，故對(duì)長(zhǎng)線進(jìn)行輸入輸出匹配，而對(duì)于短線，則不必進(jìn)行匹配從而犧牲總增益。為提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，在電源方面也做了相應(yīng)的處理，為保證各芯片間電源不會(huì)相互干擾，采用板上二次穩(wěn)壓的方法對(duì)每個(gè)高速芯片進(jìn)行電源處理。除此之外，穩(wěn)壓后的電源在芯片進(jìn)線端，進(jìn)行π網(wǎng)去耦，保證了電源干凈穩(wěn)定，從而提升電路性能。本文設(shè)計(jì)的高速差分探頭電路非常簡(jiǎn)潔，性價(jià)比非常高，在信號(hào)測(cè)量場(chǎng)合有很大的應(yīng)用前景。

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陳松（1973-），男，漢族，湖南平江人，碩士，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師，主要從事學(xué)生課外科技活動(dòng)和組織工作，296063370@qq.com；

榮軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，碩士，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師，主要從事學(xué)生開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)控制方面的教學(xué)和科研工作，rj1219@163.com。

Design of Simple Digital Control High-Speed Differential Probe*

CHEN Song，RONG Jun*，YIN Shiqiang
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hunan 414006，China）

An active high speed differential oscilloscope probe is designed，and realizes the function of differential inputand single output.The differential probe uses a controlled gain chip VCA822，and it can turn double end signal to single end signal，and it can also realize the setting function ofone time and ten times.The design of differentialmode signal source uses high-speed and low-noise total differential operational amplifier LMH6550，and realizes signal source outputof fully symmetrical differentialmode and adjustable function of commonmode voltage.The measurement results show that the design system is stable and the differential probe has high commonmode rejection ratio，and its gain fluctuation in DC～20 MHz band is less than 1 dB，so it fullymeets the general requirements ofelectricaland electronic experiments in Collegesand universities.

digital control；differentialsignal；differentialprobe；differentialsignalsource

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0940-06

項(xiàng)目來(lái)源：“電子信息工程”本科專業(yè)綜合改革國(guó)家級(jí)試點(diǎn)專業(yè)項(xiàng)目（教高司函［2013］56號(hào)）；電子信息與通信技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心項(xiàng)目（教高函［2013］10號(hào)）

2015-08-15修改日期：2015-10-15

EEACC:129010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.036