自己做一個差分探頭會很棒，OK，這篇文章出現了。

簡化模型

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的量值也相當。如果接地連接使用又寬又平的導體( 就像“刀片”)，單端探頭的接地電感(lg)會稍低一些，但也低不到哪里去。應注意差分探頭在其兩個輸入上都有補償阻尼 (tip resistor)，而單端探頭只在信號輸入上有補償阻尼，地線上沒有阻尼 ( 在實際探頭中是 0 Ω 電阻器 )。這些補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，其中對地電感 (lg) 非常重要。 在較高頻率下，對地電感會在器件接地與探頭接地之間產生一個電壓，從而減小探頭衰減器 / 放大器輸入端上的信號。可通過減小對地電感來增加帶寬。這需要縮短接地線的長度，或增加連接的面積。 理想的接地線應是非常短、又比較寬的導體平面或圍繞信號連接的環形圓柱體 ( 形成同軸的探頭連接 )。

在實際測量條件下，理想的接地線通常是不存在的，而且會大大降低單端探頭的可用性。 上面就是一個簡單的引入。

看一些探頭的內部什么樣的：

注意雙端轉單端

這個可能細節多點

這是一個國產的探頭

這個是按鈕

板子正面

這個U口是作者猜測可以加電源使用

繼電器來切換衰減值

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

核心就是教科書上經典的差分電路，傳遞函數也很簡單，就是一個比例環節k=1/50或者k=1/500。只是保證安全和帶寬指標的情況下，對器件選型和電路設計要求多了很多。

接下來就是看綠波電龍的視頻了

這個好像是JLC的一個項目

完成

鼎陽的示波器

三相逆變，上面單極的電壓可以高達幾百伏

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

單端測量技術通過含有唯一絕對值的單一信號進行數據傳輸，而差分測量技術則通過兩個信號進行數據傳輸：待傳輸值（信號輸出）與該兩個信號的電位差相對應。單端技術是差分測量技術的對立面，該技術僅涉及單一信號的傳輸，通常根據地線電壓確定信號的絕對值。

與單端技術相比，差分測量技術的主要優勢是不易受干擾變量的影響。差分傳輸過程中，兩個獨立信號受干擾變量影響的程度相當，根據干擾的強弱，每個獨立信號都可能會生成一個失真絕對值。然而，如上文所述，兩個失真信號之間的電位差與待傳輸信號（信號輸出）相對應，在兩個信號的失真程度相當的情況下，待傳輸信號本身不會受到影響。

差分的意思

黃色線是A線對地電壓，藍線是B線對地電壓。

差分探頭可測量輸入端之間的電壓差。高壓差分探頭包括了衰減器并會在每個輸入端提供過載保護。

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

將受測設備建模成一個差分源，由兩個差分源、一個正分量 (VP) 和一個負分量 (VN) 以及一個共模分量 (VCOM) 組成。

共模分量與 + 和 – 輸入共用。+ 輸入對應 VP + VCOM，– 輸入端對應 VCOM - VN。理想情況下，探頭會測量這些輸入電壓或 VP +VN 之間的差，從而消除 VCOM 項。

現實中的差分探頭會衰減掉共模電壓，但不會完全將其消除。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。該品質因數具有頻率相關性，通常隨著頻率的增加而下降。

這個是國外一個作者的東西，我覺得很有趣。

一個參數表

外觀，有些有趣的設計

左邊是調0，通道的顏色切換，電源的指示燈，右邊是調0和接地的信號

LED 示波器通道指示器：這可以幫助你跟蹤探頭連接到哪個示波器通道，特別是當你使用多個差分探頭進行測試時。PD150 的 LED 顏色可以設置為任何標準示波器通道顏色。使用“C”按鈕循環選擇顏色。

這里的他沒有給出固件，但是我可以推測接口

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量較高頻率或敏感信號。你可以將接頭焊接到要連接的電路上。對于不太重要的工作，你可以連接跳線。

在這里是設計成了這個樣子，可焊接可以插

KiCad設計出來

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

這里使用了一個小芯片，就在左邊

芯片的典型設計：過壓保護控制器

這里就使用了一個轉換器

在原著里面是BB公司

也就是收購前就在賣了

典型的電路

這塊就是輸入保護了，其實上面的大芯片是隔離信號的

示波器兼容性：PD150 具有 BNC 信號線和 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 串聯衰減器。

自動直流偏置調諧：與許多有源探頭一樣，直流偏置會隨著時間的推移而漂移，導致輸出出現輕微的直流偏置。換句話說，如果將 0 V 施加到輸入，則輸出處會出現非零電壓。你可以通過按“歸零”按鈕來消除此偏移。它會自動將偏移校正到 10mV 或更小。

就是加一個電壓就行，讓我看看怎么個事情。

使用了這個是數字電位計

這里就是應該是平衡的加進來，使用SPI控制

在這里

端接電阻（端到端）：10KΩ、50KΩ 33位AD5201的游標直接連至兩個終端端子 三線式SPI兼容型串行數據輸入 +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 上電預設至中間電平

主打一個調整

以前就見過microchip的電位計，還沒有見過ADI的，這東西也牛逼，一個帶有SPI的電阻。 數字電位計T是一種數字控制式器件，可以用來調整電壓或電流，提供與機械電位計或可變電阻器相同的模擬功能。利用它可以實現更精確、更魯棒、更快速、電壓毛刺更小的自動校準 過程。digiPOT常用于對模擬信號進行數字調整和校準，通常由 I2C，SPI等數字協議或者更基本的上調/下調和按鈕協議來控制。

巧妙

芯片框圖也是這樣的

這個圖我是喜歡的呀，這個簡寫的原理框圖可以讓人學習到好多。

框圖就是可以按照功能這樣進行一個差分

這個可能是下面說的：

自動低頻共模抑制調整：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，則噪聲將被減去，從而使信號可見。這是一個非常挑剔的調整，通常需要使用微調電位器和一堆測試設備手動完成。PD150 使用內置的測試和測量功能自動執行此調整。所需要做的就是連接跳線并激活調整功能。

信號路徑： 本節介紹輸入信號如何從探頭的輸入到達輸出。

這一切都從框圖左上方顯示的探頭的正輸入和負輸入開始。兩個相同的分壓器將施加到每個輸入的電壓衰減 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。 接下來，衰減信號被輸入到差分放大器——差分探頭的核心。它減去兩個信號。因此，其輸出等于被探測的電壓差按比例縮小 1/20。兩個輸入端出現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，信號經過緩沖，以便可以驅動示波器的 50 歐姆輸入。緩沖信號在通過輸出連接器退出之前先經過 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。這兩個 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。

直流偏置調整： 當你在探頭的輸入端施加零伏電壓時，你會期望探頭的輸出端具有相同的電壓。然而，前面描述的信號路徑并不能很好地發揮作用。原因是探頭帶寬所需的大多數寬帶放大器的失調電壓規格都很差。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，信號路徑中 5 mV 的小誤差在示波器屏幕上會顯示為 100 mV！因此我們需要一種方法來減少直流誤差。 PD150 通過將相反極性的偏移注入信號路徑來消除直流偏移。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。仔細觀察，你會發現它有第三個輸入。它被標記為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，以便可以自動進行調整。

微控制器需要監控探頭的輸出電壓，以了解需要什么校正電壓。這里棘手的事情是，它需要檢測輸出何時跨越零伏到 500 uV 以內才能滿足規范。嚴格值的原因是上述 20 倍倍增因子。框圖右側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可能因 ADC 量化及其自身偏移誤差而產生偏差的微小電壓。零漂移放大器的輸出饋入微控制器的 ADC。

高頻補償： 在低頻時，探頭的衰減器使用精密電阻將輸入信號除以 20，效果非常好。在較高頻率下，信號通過電容分壓器采用不同的路徑，原因我們將在詳細的電路描述中介紹。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論如何都非常重要。因此，我們當然不能僅依靠電容器值來獲得準確的衰減。

在這里

真實的樣子

為了解決這個問題，探頭使用一對調諧電容器來調整電容分壓器。它們顯示在分壓器右側的框圖中，并標記為HF Comp（高頻補償的縮寫）。可以調整這些電容器以在兩個輸入處實現良好的 20:1 衰減。 你可以像補償無源探頭一樣調整它們，通過施加方波并轉動補償電容器，直到獲得正確的響應。探頭甚至在其補償和調整輸出上提供方波輸出（框圖的左下側）。該輸出使用微控制器上的數字輸出來生成快速上升時間方波。 低頻共模抑制比調整 在較低頻率下具有非常高的共模抑制是很好的。例如，你可能想要測量位于較高振幅 60 Hz 線路噪聲之上的小信號。如果 60 Hz 噪聲是所測量的兩個點共有的，則探頭會將其抵消，從而顯示你正在尋找的小信號。要滿足規格中的 70 dB CMRR（共模抑制比）要求，兩個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。 鑒于這個問題，我們需要進行調整以更好地匹配衰減器。大多數探頭使用手動微調電位器來實現此目的。你需要在探頭連接到信號源的情況下仔細調整該電位計。我想避免一切成本，因為調整是一件非常乏味的事情。相反，PD150 使用數字電位器（又名 digipot）進行調諧。

它顯示在框圖中差分放大器輸入的前面。 為了自動調整，我們需要將共模測試信號應用于探頭輸入。探頭的微控制器已經讓我們了解了！它將使用數字輸出在補償和調整輸出上生成這樣的信號。它需要使用具有三個引腳的跨接電纜連接到兩個探頭輸入。

微控制器還需要在調節電位器時監控輸出電壓。它必須調整設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。它增強探頭的輸出信號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激活的。總而言之，用戶的第一步是使用三針跳線將補償和調整輸出連接到兩個探頭輸入，然后按下適當的按鈕組合來運行調整路由。微控制器從那里接管。它將在調節電位器的同時測量輸出電壓并找到最佳設置。它將設置存儲在非易失性存儲器中。

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

原文標題：開源示波器差分測量探頭-PD150

文章出處：【微信公眾號：云深之無跡】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。