自己做一個(gè)差分探頭會(huì)很棒，OK，這篇文章出現(xiàn)了。

簡(jiǎn)化模型

由于單端和差分探頭前端的幾何尺寸大致相同，因此電感和電容參數(shù)的量值也相當(dāng)。如果接地連接使用又寬又平的導(dǎo)體( 就像“刀片”)，單端探頭的接地電感(lg)會(huì)稍低一些，但也低不到哪里去。應(yīng)注意差分探頭在其兩個(gè)輸入上都有補(bǔ)償阻尼 (tip resistor)，而單端探頭只在信號(hào)輸入上有補(bǔ)償阻尼，地線上沒有阻尼 ( 在實(shí)際探頭中是 0 Ω 電阻器 )。這些補(bǔ)償阻尼用于消除輸入連接中電感器 (Ls) 和電容器 (Cs) 所造成的諧振。

從對(duì)單端模型的分析，可看到帶寬決定于電感值和電容值，其中對(duì)地電感 (lg) 非常重要。 在較高頻率下，對(duì)地電感會(huì)在器件接地與探頭接地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而減小探頭衰減器 / 放大器輸入端上的信號(hào)?？赏ㄟ^減小對(duì)地電感來(lái)增加帶寬。這需要縮短接地線的長(zhǎng)度，或增加連接的面積。 理想的接地線應(yīng)是非常短、又比較寬的導(dǎo)體平面或圍繞信號(hào)連接的環(huán)形圓柱體 ( 形成同軸的探頭連接 )。

在實(shí)際測(cè)量條件下，理想的接地線通常是不存在的，而且會(huì)大大降低單端探頭的可用性。 上面就是一個(gè)簡(jiǎn)單的引入。

看一些探頭的內(nèi)部什么樣的：

注意雙端轉(zhuǎn)單端

這個(gè)可能細(xì)節(jié)多點(diǎn)

這是一個(gè)國(guó)產(chǎn)的探頭

這個(gè)是按鈕

板子正面

這個(gè)U口是作者猜測(cè)可以加電源使用

繼電器來(lái)切換衰減值

硬件看起來(lái)不復(fù)雜，前端ADA4817-2差分電路，松下繼電器切換通道增益。 SiLabs的EFM8BB10 51單片機(jī)控制按鍵，增益之類。 使用隔離5V電源。

核心就是教科書上經(jīng)典的差分電路，傳遞函數(shù)也很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)比例環(huán)節(jié)k=1/50或者k=1/500。只是保證安全和帶寬指標(biāo)的情況下，對(duì)器件選型和電路設(shè)計(jì)要求多了很多。

接下來(lái)就是看綠波電龍的視頻了

這個(gè)好像是JLC的一個(gè)項(xiàng)目

完成

鼎陽(yáng)的示波器

三相逆變，上面單極的電壓可以高達(dá)幾百伏

本來(lái)是可以看完視頻的，但是在這里的時(shí)候我去吃飯了，吃完回來(lái)就沒有思路了，就這樣把。

單端測(cè)量技術(shù)通過含有唯一絕對(duì)值的單一信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而差分測(cè)量技術(shù)則通過兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：待傳輸值（信號(hào)輸出）與該兩個(gè)信號(hào)的電位差相對(duì)應(yīng)。單端技術(shù)是差分測(cè)量技術(shù)的對(duì)立面，該技術(shù)僅涉及單一信號(hào)的傳輸，通常根據(jù)地線電壓確定信號(hào)的絕對(duì)值。

與單端技術(shù)相比，差分測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是不易受干擾變量的影響。差分傳輸過程中，兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)受干擾變量影響的程度相當(dāng)，根據(jù)干擾的強(qiáng)弱，每個(gè)獨(dú)立信號(hào)都可能會(huì)生成一個(gè)失真絕對(duì)值。然而，如上文所述，兩個(gè)失真信號(hào)之間的電位差與待傳輸信號(hào)（信號(hào)輸出）相對(duì)應(yīng)，在兩個(gè)信號(hào)的失真程度相當(dāng)?shù)那闆r下，待傳輸信號(hào)本身不會(huì)受到影響。

差分的意思

黃色線是A線對(duì)地電壓，藍(lán)線是B線對(duì)地電壓。

差分探頭可測(cè)量輸入端之間的電壓差。高壓差分探頭包括了衰減器并會(huì)在每個(gè)輸入端提供過載保護(hù)。

典型衰減值在 50:1 至 2000:1 范圍內(nèi)。因此，高壓差分探頭的輸入電壓范圍為 1500 至 7000 V。

將受測(cè)設(shè)備建模成一個(gè)差分源，由兩個(gè)差分源、一個(gè)正分量 (VP) 和一個(gè)負(fù)分量 (VN) 以及一個(gè)共模分量 (VCOM) 組成。

共模分量與 + 和 – 輸入共用。+ 輸入對(duì)應(yīng) VP + VCOM，– 輸入端對(duì)應(yīng) VCOM - VN。理想情況下，探頭會(huì)測(cè)量這些輸入電壓或 VP +VN 之間的差，從而消除 VCOM 項(xiàng)。

現(xiàn)實(shí)中的差分探頭會(huì)衰減掉共模電壓，但不會(huì)完全將其消除。差分探頭的共模抑制比 (CMMR)（即衰減掉的共模信號(hào)與其未衰減振幅的比率）單位為 dB，表示差分探頭的有效性。該品質(zhì)因數(shù)具有頻率相關(guān)性，通常隨著頻率的增加而下降。

這個(gè)是國(guó)外一個(gè)作者的東西，我覺得很有趣。

一個(gè)參數(shù)表

外觀，有些有趣的設(shè)計(jì)

左邊是調(diào)0，通道的顏色切換，電源的指示燈，右邊是調(diào)0和接地的信號(hào)

LED 示波器通道指示器：這可以幫助你跟蹤探頭連接到哪個(gè)示波器通道，特別是當(dāng)你使用多個(gè)差分探頭進(jìn)行測(cè)試時(shí)。PD150 的 LED 顏色可以設(shè)置為任何標(biāo)準(zhǔn)示波器通道顏色。使用“C”按鈕循環(huán)選擇顏色。

這里的他沒有給出固件，但是我可以推測(cè)接口

靈活的探頭接口：探頭輸入只是 0.1 英寸間隔的插座。它們的緊密間距有利于測(cè)量較高頻率或敏感信號(hào)。你可以將接頭焊接到要連接的電路上。對(duì)于不太重要的工作，你可以連接跳線。

在這里是設(shè)計(jì)成了這個(gè)樣子，可焊接可以插

KiCad設(shè)計(jì)出來(lái)

USB 電源：PD150 通過 USB-C 連接器供電。它需要 5V、300mA 的電壓，可以通過一個(gè)小型適配器或多個(gè) USB 端口提供。

這里使用了一個(gè)小芯片，就在左邊

芯片的典型設(shè)計(jì)：過壓保護(hù)控制器

這里就使用了一個(gè)轉(zhuǎn)換器

在原著里面是BB公司

也就是收購(gòu)前就在賣了

典型的電路

這塊就是輸入保護(hù)了，其實(shí)上面的大芯片是隔離信號(hào)的

示波器兼容性：PD150 具有 BNC 信號(hào)線和 50 Ω 輸出阻抗。因此，可以將其直接連接到具有 50 Ω 輸入的示波器，只要其額定電壓至少為 2.5 V rms。對(duì)于僅具有高阻抗輸入的示波器，可以在探頭和示波器之間使用 50 Ω 串聯(lián)衰減器。

自動(dòng)直流偏置調(diào)諧：與許多有源探頭一樣，直流偏置會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移，導(dǎo)致輸出出現(xiàn)輕微的直流偏置。換句話說(shuō)，如果將 0 V 施加到輸入，則輸出處會(huì)出現(xiàn)非零電壓。你可以通過按“歸零”按鈕來(lái)消除此偏移。它會(huì)自動(dòng)將偏移校正到 10mV 或更小。

就是加一個(gè)電壓就行，讓我看看怎么個(gè)事情。

使用了這個(gè)是數(shù)字電位計(jì)

這里就是應(yīng)該是平衡的加進(jìn)來(lái)，使用SPI控制

在這里

端接電阻（端到端）：10KΩ、50KΩ 33位AD5201的游標(biāo)直接連至兩個(gè)終端端子 三線式SPI兼容型串行數(shù)據(jù)輸入 +2.7 V至+5.5 V單電源或±2.7 V雙電源供電，特別適合以地為參考的交流信號(hào) 上電預(yù)設(shè)至中間電平

主打一個(gè)調(diào)整

以前就見過microchip的電位計(jì)，還沒有見過ADI的，這東西也牛逼，一個(gè)帶有SPI的電阻。 數(shù)字電位計(jì)T是一種數(shù)字控制式器件，可以用來(lái)調(diào)整電壓或電流，提供與機(jī)械電位計(jì)或可變電阻器相同的模擬功能。利用它可以實(shí)現(xiàn)更精確、更魯棒、更快速、電壓毛刺更小的自動(dòng)校準(zhǔn) 過程。digiPOT常用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字調(diào)整和校準(zhǔn)，通常由 I2C，SPI等數(shù)字協(xié)議或者更基本的上調(diào)/下調(diào)和按鈕協(xié)議來(lái)控制。

巧妙

芯片框圖也是這樣的

這個(gè)圖我是喜歡的呀，這個(gè)簡(jiǎn)寫的原理框圖可以讓人學(xué)習(xí)到好多。

框圖就是可以按照功能這樣進(jìn)行一個(gè)差分

這個(gè)可能是下面說(shuō)的：

自動(dòng)低頻共模抑制調(diào)整：在低頻下具有真正高的共模抑制是件好事。這基本上意味著兩個(gè)輸入的衰減接近完美平衡。

也就是這樣的低通濾波器

因此，如果你測(cè)量的是位于較大噪聲源（例如 60 Hz 線路頻率噪聲）之上的小信號(hào)，則噪聲將被減去，從而使信號(hào)可見。這是一個(gè)非常挑剔的調(diào)整，通常需要使用微調(diào)電位器和一堆測(cè)試設(shè)備手動(dòng)完成。PD150 使用內(nèi)置的測(cè)試和測(cè)量功能自動(dòng)執(zhí)行此調(diào)整。所需要做的就是連接跳線并激活調(diào)整功能。

信號(hào)路徑： 本節(jié)介紹輸入信號(hào)如何從探頭的輸入到達(dá)輸出。

這一切都從框圖左上方顯示的探頭的正輸入和負(fù)輸入開始。兩個(gè)相同的分壓器將施加到每個(gè)輸入的電壓衰減 20 倍（或增益 1/20）。這使下游有源組件保持在其允許的輸入電壓范圍內(nèi)。 接下來(lái)，衰減信號(hào)被輸入到差分放大器——差分探頭的核心。它減去兩個(gè)信號(hào)。因此，其輸出等于被探測(cè)的電壓差按比例縮小 1/20。兩個(gè)輸入端出現(xiàn)的任何所謂的共模電壓都被消除。這就是探頭差異化的原因。

最后，信號(hào)經(jīng)過緩沖，以便可以驅(qū)動(dòng)示波器的 50 歐姆輸入。緩沖信號(hào)在通過輸出連接器退出之前先經(jīng)過 50 歐姆電阻。

該 50 歐姆電阻端接同軸電纜的源端。電纜的另一端將通過示波器的 50 歐姆輸入端接 50 歐姆。在此方案中，同軸電纜兩端均采用 50 歐姆端接。這既可以最大限度地減少信號(hào)反射，又可以確保探頭緩沖器在所有頻率下的輸出端都能看到一致的阻抗（100 歐姆）。兩者都有助于保持平坦的頻率響應(yīng)。這兩個(gè) 50 歐姆電阻形成分壓器，將電壓減半。緩沖器的兩倍增益抵消了這種損失。

直流偏置調(diào)整： 當(dāng)你在探頭的輸入端施加零伏電壓時(shí)，你會(huì)期望探頭的輸出端具有相同的電壓。然而，前面描述的信號(hào)路徑并不能很好地發(fā)揮作用。原因是探頭帶寬所需的大多數(shù)寬帶放大器的失調(diào)電壓規(guī)格都很差。此外，任何 DC 誤差都將被示波器乘以 20 倍，以匹配探頭的衰減。例如，信號(hào)路徑中 5 mV 的小誤差在示波器屏幕上會(huì)顯示為 100 mV！因此我們需要一種方法來(lái)減少直流誤差。 PD150 通過將相反極性的偏移注入信號(hào)路徑來(lái)消除直流偏移。在輸入斷開的情況下按下探頭上的“0”按鈕即可激活它。該按鈕顯示在框圖的用戶界面部分下方。

DC偏移校正電壓被施加到寬帶差分放大器。仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它有第三個(gè)輸入。它被標(biāo)記為ref（參考的縮寫）并改變其輸出的直流電平。它與微控制器的 DAC 耦合，以便可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

微控制器需要監(jiān)控探頭的輸出電壓，以了解需要什么校正電壓。這里棘手的事情是，它需要檢測(cè)輸出何時(shí)跨越零伏到 500 uV 以內(nèi)才能滿足規(guī)范。嚴(yán)格值的原因是上述 20 倍倍增因子。框圖右側(cè)所示的零漂移放大器可以提供幫助。它具有出色的直流性能和很大的增益。這樣，微控制器就不需要檢測(cè)可能因 ADC 量化及其自身偏移誤差而產(chǎn)生偏差的微小電壓。零漂移放大器的輸出饋入微控制器的 ADC。

高頻補(bǔ)償： 在低頻時(shí)，探頭的衰減器使用精密電阻將輸入信號(hào)除以 20，效果非常好。在較高頻率下，信號(hào)通過電容分壓器采用不同的路徑，原因我們將在詳細(xì)的電路描述中介紹。雖然電阻器很容易獲得 0.1% 的容差，但精密電容器并不是真正的東西 - 嚴(yán)格的電容器容差可能為 5-10%！另外，在我們處理的低值下，PCB 和探頭連接器上的各種寄生電容無(wú)論如何都非常重要。因此，我們當(dāng)然不能僅依靠電容器值來(lái)獲得準(zhǔn)確的衰減。

在這里

真實(shí)的樣子

為了解決這個(gè)問題，探頭使用一對(duì)調(diào)諧電容器來(lái)調(diào)整電容分壓器。它們顯示在分壓器右側(cè)的框圖中，并標(biāo)記為HF Comp（高頻補(bǔ)償?shù)目s寫）?？梢哉{(diào)整這些電容器以在兩個(gè)輸入處實(shí)現(xiàn)良好的 20:1 衰減。 你可以像補(bǔ)償無(wú)源探頭一樣調(diào)整它們，通過施加方波并轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償電容器，直到獲得正確的響應(yīng)。探頭甚至在其補(bǔ)償和調(diào)整輸出上提供方波輸出（框圖的左下側(cè)）。該輸出使用微控制器上的數(shù)字輸出來(lái)生成快速上升時(shí)間方波。 低頻共模抑制比調(diào)整 在較低頻率下具有非常高的共模抑制是很好的。例如，你可能想要測(cè)量位于較高振幅 60 Hz 線路噪聲之上的小信號(hào)。如果 60 Hz 噪聲是所測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)共有的，則探頭會(huì)將其抵消，從而顯示你正在尋找的小信號(hào)。要滿足規(guī)格中的 70 dB CMRR（共模抑制比）要求，兩個(gè)分壓器的衰減必須非常匹配。電路中使用的0.1%精度電阻更能保證。 鑒于這個(gè)問題，我們需要進(jìn)行調(diào)整以更好地匹配衰減器。大多數(shù)探頭使用手動(dòng)微調(diào)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。你需要在探頭連接到信號(hào)源的情況下仔細(xì)調(diào)整該電位計(jì)。我想避免一切成本，因?yàn)檎{(diào)整是一件非常乏味的事情。相反，PD150 使用數(shù)字電位器（又名 digipot）進(jìn)行調(diào)諧。

它顯示在框圖中差分放大器輸入的前面。 為了自動(dòng)調(diào)整，我們需要將共模測(cè)試信號(hào)應(yīng)用于探頭輸入。探頭的微控制器已經(jīng)讓我們了解了！它將使用數(shù)字輸出在補(bǔ)償和調(diào)整輸出上生成這樣的信號(hào)。它需要使用具有三個(gè)引腳的跨接電纜連接到兩個(gè)探頭輸入。

微控制器還需要在調(diào)節(jié)電位器時(shí)監(jiān)控輸出電壓。它必須調(diào)整設(shè)置以最小化探頭的輸出電壓。這里的困難在于微控制器必須能夠看到一些極小的輸出電壓變化才能做出良好的調(diào)整。在這里，它得到了連接到探頭輸出的零漂移差分放大器的幫助。它增強(qiáng)探頭的輸出信號(hào)并將其傳遞到微控制器的 ADC。 所有這些都是通過框圖左下角的探頭用戶界面開關(guān)激活的?？偠灾?，用戶的第一步是使用三針跳線將補(bǔ)償和調(diào)整輸出連接到兩個(gè)探頭輸入，然后按下適當(dāng)?shù)陌粹o組合來(lái)運(yùn)行調(diào)整路由。微控制器從那里接管。它將在調(diào)節(jié)電位器的同時(shí)測(cè)量輸出電壓并找到最佳設(shè)置。它將設(shè)置存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。

https://hackaday.io/project/191837-pd150

http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic533339.html

https://www.digikey.cn/zh/blog/high-voltage-differential-oscilloscope-probes

https://oshwhub.com/Keridium/ci-fen-tan-tou_copy

https://www.kechuang.org/t/86133

https://www.kechuang.org/t/81599

https://zhuanlan.zhihu.com/p/92577803

https://www.kistler.com/INT/zh/%E5%B7%AE%E5%88%86%E6%B5%8B%E9%87%8F%E6%8A%80%E6%9C%AF/C00000106

https://www.pemch.com/news/detail_200.html

原文標(biāo)題：開源示波器差分測(cè)量探頭-PD150

文章出處：【微信公眾號(hào)：云深之無(wú)跡】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。