简易数字控制高速差分探头设计*

陈　松，荣　军，尹世强（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

简易数字控制高速差分探头设计*

陈松，荣军*，尹世强
（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

设计了有源高速差分示波器探头，实现了差分输入、单端输出功能。该差分探头的设计采用可控增益芯片VCA822，实现了双端信号转单端信号以及差分探头1倍和10倍档的设置功能。差模信号源的设计采用了高速和低噪声全差分运算放大器LMH6550，实现了完全对称的差模信号源输出且共模电压可调功能。测量实验证明了本设计系统稳定且差分探头具有高共模抑制比，探头在DC～20MHz频带内的增益起伏不大于1 dB，完全满足一般高校电工电子实验要求。

数字控制；差分信号；差分探头；差模信号源

探头是示波器测量信号不可缺少的附件，测试信号时所选用探头的类型、与示波器匹配与否对示波器的测量的质量至关重要。目前最为常用的探头为无源高阻探头，这类探头尽管价格低且简单轻巧，但它的容性效应较明显、测量带宽频段低、抗干扰能力差，因此应用场合也受到了相应的限制。而差分探头具有较高的频率带宽、输入电容非常低的特点，尤其是具有很高的共模抑制比，因此非常适合测试高速差分信号［1-4］。高速差分探头在高频信号测量、小信号测量以及电磁干扰环境测量的应用已相当普遍，尽管目前市场上生产差分探头的厂商很多，但其性能指标不尽相同，甚至相差较远。加上使用者对差分探头的了解不够，有可能导致被测信号未能正确、保真地传到示波器，得到非真实的波形。针对此缺点，本文设计了一款测量精确、性价比高以及简单易用的高速差分探头。

1　系统实现及理论分析

本文设计并制作一个有源高速差分示波器探头，它能够实现差分输入以及单端输出功能，并且制作了一个测试差分探头的差模信号源，系统结构组成框图如图1所示。

根据设计要求，可画出系统设计原理框图如图2所示。差模信号源部分，单端从IN（同图1中的Vin）输入经过全差分运放后得到相位差为180°的两路信号OUT+和OUT-（同图1中的VA、VB）。这两路信号即为测试差分探头所需的差模信号，在差分探头部分，差模信号经过阻抗匹配级后经过程控衰减器后即得到单端信号经过固定增益放大器输出的OUT信号（同图1中的VE）即为传输给示波器的信号。

图1　系统结构组成框图

图2　系统设计原理框图

2　理论计算与分析

2.1差模信号和共模信号分析

差分式结构电路如图3所示［5］，T1、T2是BJT器件，由图3可以看到有两种电流信号，一种是从I1端到I2端的差模输入电流信号iid，另一种是从两管的I1和I2端流入电流源的共模输入电流信号iic。

图3　差分式结构电路

实际上，电流信号是由输入电压信号产生的，因此差模信号的共模信号一般是用电压信号来描述的。输入电压Vi1和Vi2之差称为差模电压，用式（1）来定义：

同理，两输入电压Vi1和Vi2的算数平均值称为共模电压，定义为：

当用差模和共模电压表示两输入电压时，由式（1）和式（2）联立可得：

由上面两式可知，两输入端的共模信号iic的大小相等，而极性是相同的，而两输入端的差模电压+Vid/2和-Vid/2的大小相等而极性则是相反的。T1、T2加入信号电压Vi1和Vi2产生的差模输入电流和共模输入电流与图3所表示的流向一致。

类似地，对于两管的差模输出电压和共模输出电压由式（5）和式（6）所示：

式中单管的输出电压分别为：

通常，要求设计出这样一种放大器，当它放大差模电压信号时就有较高的电压增益，而对于共模电压信号则显现出低得多的电压增益。在差模信号和共模信号同时存在的情况下，对于线性放大电路来说，可借助叠加原理来求出总的输出电压，即：

式中Aυd=Vod/Vid为差模电压增益；Aυc=Voc/Vic为共模电压增益。

2.2差分探头技术指标理论

2.2.1共模抑制比

共模抑制比定义为差模信号增益Adm与共模信号增益Acm之比的绝对值。共模抑制比直接体现了差动放大电路中对共模信号的抑制能力，差模电压与共模电压的示意图如图4所示［6］。

图4　差模电压与共模电压示意图

由图4可知，差模电压Vdm由差模放大器两输入端电压值相减而得，其增益用Adm表示；共模电压Vcm用差模放大器两端的电压平均值来表示，其增益用Acm表示。共模抑制比计算公式如式（9）。

从式（9）来看，在理想情况下如果共模增益Acm值为0，则共模抑制比KCMRR趋于无穷大，但现实情况下差动电路对信号处理不可能做到完全对称。所以无法得到共模抑制比为无穷大的理想电路。在实际应用中，差模增益越大，而共模增益越小，则共模抑制比越大，说明放大器抑制共模信号的效果越好。

差分探头的实际实现方案并不能抑制所有共模信号，些许共模信号的误差信号可能混杂在差分信号中难以去除掉。共模抑制能力也会随输入频率升高而降低。

差分探头在实际使用过程中，其共模抑制比会随着不同的测量环境而改变，比如电路的对称性、被测信号频率不同、探头与示波器的匹配等。我们知道探头共模抑制能力越强越好，平常的差分探头共模抑制比一般在60 dB～80 dB左右，甚至可达120 dB。但被测信号频率的增大会导致共模抑制比逐渐变小。因为信号边沿会随着信号频率的增大而在跳变时产生偏差，从而增加了共模电压成分，示意图如图5所示。

图5　高频信号导致共模电压增加

共模抑制比是衡量差分探头的一个非常重要指标，如果差分探头的共模抑制比未达到所需指标，共模电压将会叠加到差分电压上，从而造成测量上的误差。

2.2.2差分探头带宽分析

在考虑测量带宽问题时应衡量示波器与探头的带宽指标组合，应同时满足需求，这里只讨论探头的带宽问题。

探头的带宽决定了探头的使用频段。探头的带宽是指探头响应导致输出幅度下降到70.7%（-3 dB）的频率，如图6所示。探头的带宽在很多场合影响到信号的精确测量。因此在测量信号时，要根据信号的带宽需求来选择示波器和探头。当测量信号逐渐接近探头带宽上限，信号幅度会逐渐衰减。当测量的信号接近带宽上限时，测得的幅度约为实际信号幅度的70.7%。所以，在进行信号测量时应注意，选用带宽指标比实际测量信号最高频率高几倍的探头。

图6　带宽响应曲线图

在测量波形的上升时间和下降时间时也同样注意探头的带宽问题。比如测量方波沿变时间，由于方波是比它自身频率高很多的正弦波组成的。带宽限制使这些高频成分产生了衰减，以至于测得波形沿变慢于实际沿边时间。因此为了精确测量波形的沿变时间，使用的探头必须远高于实际被测信号的最高频率，以保证组成被测信号的最高频率未被衰减。通常情况下，测量信号沿变时间时，探头测量沿变能力应为被测量信号沿变时间的4倍～5倍。

3　系统软硬件设计

3.1单端转双端放大器设计

根据题目设计要求自制一个差模信号源，实现单端输入转换为差模信号输出；采用TI公司的高速全差分运算放大器LMH6550能很好的完成题目设计要求，同时满足通频带和频带内平坦度指标。采用一级全差分运算放大器LMH6550实现单端信号输入双端输出。

使用全差分运放LMH6550实现单端转差分放大器，其原理如图7所示。

图7　LM H 6550典型应用图

其中：

根据题目要求自制一个差模信号源，为了使差模信号稳定输出，采用高速全差分运放做差模信号源。设计电路原理图如图8所示，其中R2、R6和R7实现阻抗匹配，R13可调节共模电压。输入端口通过50Ω的同轴电缆连接，以防电路产生自激震荡，电阻、电容采用表贴封装，以尽量缩短布线长度。同时，确保50Ω的阻抗匹配以尽量减小干扰［7］。

图8　差分信号源原理图

3.2差分探头电路设计

3.2.1频带内增益起伏控制

对于频带内增益起伏的控制，通过两种方法共同作用来保证带内增益平坦。首先，使用增益平坦度较高的放大器来进行级联设计，所选放大器均具有远高于题目要求的增益平坦带宽，从而可以保证放大器的带内增益平坦。

其次，在放大器级间插入阻容元件，对放大器进行匹配，从而优化放大器的传输参数，同时减少电路分布参数对放大器的幅频特性影响。

3.2.2增益调整

电压增益调整是本设计需要完成的重要设计指标之一，根据题目要求增益具备×1倍、×10倍两档可调，为使系统发挥稳定可靠，选用TI公司的可控增益放大器实现此功能。增益调节由衰减器程控衰减与可变增益放大器VCA822配合完成。其中，可控衰减器具备20 dB的衰减能力，VCA822具有接近40 dB的增益控制范围，从而实现了×1倍、×10倍档设定。增益控制由放大器VCA822，通过改变输入控制电压的值进行增益调整。增益调整由式（10）确定：

式（10）通过改变增益控制电压的幅度，即可实现增益的精确调整。

3.2.3阻抗匹配处理

由于本系统最终实现100 MHz带宽，故而需对级间进行阻抗匹配，以减小反射，降低驻波比，从而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低驻波系数，故对长线进行输入输出匹配，而对于短线，则不必进行匹配从而牺牲总增益。进行阻抗匹配可以分为电阻匹配和电抗匹配，也就是一般所说的复阻抗匹配，也称为共轭匹配。通过串联或并联电感或电容可将复阻抗变为实际阻抗（电阻或电导）。

3.2.4差分探头电路

为保证各芯片间电源不会相互干扰，采用板上二次稳压的方法对每个高速芯片进行电源处理。除此之外，二次稳压后的电源在芯片进线端，进行去耦，保证电源干净稳定，从而提升电路性能。

差分探头主要由专用压控增益芯片VCA822组成，最大增益为 100倍，在本设计中，R12为1 kΩ，R11为 200Ω，设置其最大放大倍数为 10倍，正好满足题目要求的增益为10倍，其电路图如图9所示［8-10］。

图9　差分探头电路图

4　实验结果及分析

设计技术指标：（1）自制一个用于测试差分探头的差模信号源，实现将单端信号Vin转换为差模信号输出（VA和VB），单端信号Vin为正弦波，频率范围为DC～20 MHz，振幅为100mV～2 V；（2）设计一个简易差分探头，其中输入信号VC、VD对地电压范围为±4 V；（VC-VD）的最大输入范围为±4 V；（3）设定差分探头的增益为10，测得的1 dB起伏带宽范围内测量差分探头的共模抑制比，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差模信号源测试

测试方法：差模信号源输入动态范围：0V～10 V，增益：2，带宽：DC～20MHz。将信号源输入接任意波形发生器，输出接示波器双踪探头。测试数据如表1所示。从表1可以看出差模信号源的放大倍数为2倍，且输出直流分量在正负2V之间可手动调节。

表1　差模信号源测试表格

4.2差分探头带宽测试

测试方法：将差分探头增益设置为10倍，用函数信号发生器从输入端输入400mV（峰值电压）的正弦波，频率从1 kHz～30MHz变化，用示波器测试VE电压值，测试数据如表2所示。从表2可以看出差分探头的1 dB带宽大于30MHz，超出指标设计要求。

表2　带宽测试结果

4.3差分探头增益平坦度测试

测试方法：探头增益设为10，输入信号幅度200mV，用自制差模信号源做输入，测试差分探头增益平坦度（事先记录差模信号源增益平坦度），测试数据如表3所示。从表3可以看出输入频率从1MHz到100MHz时，输出误差最大为2.2%。

表3　增益平坦度测试结果

5　结论

设计了差模信号源与高速差分探头，该探头是示波器的重要组成部分。设计的差模信号源选用的核心器件为TI公司的低噪声、高速全差分运算放大器LMH6550，实现了单端信号输入转换为差模信号输出、共模电压可手动调节功能；同时也可满足通频带和频带内平坦度指标，差模信号源经测试完全达到了设计要求。另外，有源差分探头设计采用了可控增益放大器VCA822，通过改变增益控制电压的幅度，实现了1倍和10倍增益的精确调控，并可通过按键手动该放大倍数；有源高速差分探头结合自制的差模信号源，经测试其共模抑制比在DC～1MHz范围内达到了40 dB以上，完全满足了作品设计要求。由于设计最终实现100MHz带宽，故而需对级间进行阻抗匹配，以减小反射，降低驻波比，从而提升增益平坦度。阻抗匹配主要用于降低驻波系数，故对长线进行输入输出匹配，而对于短线，则不必进行匹配从而牺牲总增益。为提高整个系统的性能，在电源方面也做了相应的处理，为保证各芯片间电源不会相互干扰，采用板上二次稳压的方法对每个高速芯片进行电源处理。除此之外，稳压后的电源在芯片进线端，进行π网去耦，保证了电源干净稳定，从而提升电路性能。本文设计的高速差分探头电路非常简洁，性价比非常高，在信号测量场合有很大的应用前景。

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［10］荣军，张敏，李一鸣，等.基于单片机的恒流源技术研究［J］.电子器件，2011，29（23）：63-65.

陈松（1973-），男，汉族，湖南平江人，硕士，湖南理工学院信息与通信工程学院讲师，主要从事学生课外科技活动和组织工作，296063370@qq.com；

荣军（1978-），男，汉族，湖南岳阳人，硕士，湖南理工学院信息与通信工程学院讲师，主要从事学生开关电源和电机控制方面的教学和科研工作，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

项目来源：“电子信息工程”本科专业综合改革国家级试点专业项目（教高司函［2013］56号）；电子信息与通信技术国家级实验教学示范中心项目（教高函［2013］10号）

2015-08-15修改日期：2015-10-15

EEACC:129010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.036