示波器測量中的浮動與差分電壓挑戰及解決方案

從根本上來說，示波器是一種測量電壓（在Y軸上）與時間（在X軸上）關系的儀器，且所有的電壓測量都是在兩點之間進行的。在設計示波器時，大多數設計者都期望這兩點中的一點能夠牢固地接地。因此，示波器的探頭參考引線會電氣連接到BNC輸入的外殼，進而連接到機箱，最終通過電源引線接地。

然而，這種設計卻帶來了示波器用戶經常遇到的問題：許多電壓測量值并不以接地為參考。差分電壓和浮動電壓在實際應用中無處不在，這給用戶帶來了不小的困擾。

當電壓不直接參考地時，我們稱之為“浮動電壓”。同樣地，當在兩點之間測量電壓，且這兩點都不是接地的，我們稱之為“差分電壓”。此外，信號通常通過兩條線路進行差分傳輸，一條線路傳輸的信號與另一條線路相反，這樣的設計可以使接收器有效地抑制任何共模噪聲。

例如，CAN總線的差分信號就是CAN高電平和CAN低電平之間的差異，這種差分傳輸方式可以很好地抑制共模噪聲。除此之外，開關模式電源、三相電源、電流感應電阻器以及生物信號等也都可能遇到浮動或差分信號的問題。如果在此類信號測量中錯誤地引入了接地引線，輕者可能導致信號失真，重者甚至可能損壞被測器件。

針對浮動測量的問題，有幾種可能的解決方案。但直接斷開電源插頭處的接地線并不可取，因為這會使機箱和所有BNC輸入都失去接地保護，增加觸電的風險。

一種更安全且常用的方法是使用兩個探頭進行偽差分測量。具體來說，就是使用兩個探頭分別測量兩個點，然后反轉一個通道的信號，并通過數學方法從一個通道中減去另一個通道的信號。這樣，我們就可以只顯示差分信號，同時確保測量的安全性。然而，這種方法也存在一些限制，比如需要兩個通道和一個數學通道來產生一條跡線，而且探針之間的任何不平衡都可能導致通道之間的偏斜和低共模抑制比（CMRR）。

因此，對于需要高精度和高安全性的測量場景，更優雅的解決方案是使用有源差分電壓探頭。這種探頭具有真差分測量、高CMRR以及每次測量只需一個示波器通道等優點。它可以有效地解決浮動電壓和差分電壓的測量問題，提高測量的準確性和安全性。