采集時(shí)差分信號(hào)比單端信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

　　一、引言

　　在信號(hào)采集領(lǐng)域，差分信號(hào)和單端信號(hào)是兩種常見的信號(hào)傳輸和采集方式。差分信號(hào)在許多高精度、高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出了比單端信號(hào)更為優(yōu)越的性能。理解兩者的特性以及差分信號(hào)相對(duì)單端信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于設(shè)計(jì)高效、準(zhǔn)確的信號(hào)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　二、單端信號(hào)的特點(diǎn)

　　1.定義與原理

　　單端信號(hào)是指信號(hào)在單根導(dǎo)線上傳輸，以一個(gè)公共參考點(diǎn)(通常為地)為基準(zhǔn)。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器 - 采集電路中，傳感器輸出的電壓信號(hào)相對(duì)于系統(tǒng)地進(jìn)行傳輸。

　　2.易受干擾

　　由于單端信號(hào)的傳輸依賴于與地之間的電壓差，它很容易受到外界電磁干擾(EMI)的影響。外部的電磁場(chǎng)可能會(huì)在信號(hào)線上感應(yīng)出額外的電壓，從而改變信號(hào)的真實(shí)值。例如，在工業(yè)環(huán)境中，電機(jī)、變壓器等設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可能會(huì)干擾單端信號(hào)傳輸線，導(dǎo)致采集到的信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)和誤差。

　　3.共模噪聲問題

　　共模噪聲是指同時(shí)出現(xiàn)在信號(hào)線路和地之間的噪聲。對(duì)于單端信號(hào)，由于它以地為參考，共模噪聲會(huì)直接疊加到信號(hào)上。例如，當(dāng)存在接地環(huán)路時(shí)，地電位的波動(dòng)會(huì)作為共模噪聲影響單端信號(hào)，這種噪聲很難通過簡(jiǎn)單的濾波方法完全去除。

　　4.信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍受限

　　單端信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍取決于電源電壓和信號(hào)相對(duì)于地的擺幅。在低電壓供電系統(tǒng)中，單端信號(hào)的可用動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小，這可能限制了對(duì)微弱信號(hào)的采集能力或者導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中容易飽和失真。

　　三、差分信號(hào)的特點(diǎn)

　　1.定義與原理

　　差分信號(hào)是在兩根導(dǎo)線上傳輸一對(duì)大小相等、極性相反的信號(hào)。在接收端，通過對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行差值運(yùn)算來獲取實(shí)際的信號(hào)值。例如，在一個(gè)差分放大器的輸入中，一個(gè)輸入端為正相輸入(Vp)，另一個(gè)為反相輸入(Vn)，輸出為Vout = Vp - Vn。

　　2.抗干擾能力強(qiáng)

　　差分信號(hào)對(duì)電磁干擾具有很強(qiáng)的抑制能力。由于差分信號(hào)是通過兩根信號(hào)線之間的差值來表示有效信息，外界的電磁干擾往往會(huì)同時(shí)影響這兩根信號(hào)線，產(chǎn)生相同的干擾電壓。在接收端進(jìn)行差值運(yùn)算時(shí)，這種共模干擾會(huì)被相互抵消。例如，在高速數(shù)據(jù)傳輸線路中，差分信號(hào)能夠有效抵抗來自周圍環(huán)境的電磁輻射干擾。

　　3.共模噪聲抑制

　　差分信號(hào)的共模抑制比(CMRR)很高。共模噪聲會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在差分信號(hào)的兩根線上，但由于差分信號(hào)的采集方式是取兩者的差值，共模噪聲在差值運(yùn)算中被大大削弱。即使存在較大的共模噪聲，只要差分信號(hào)對(duì)的對(duì)稱性較好，就能夠準(zhǔn)確地采集到原始信號(hào)。這在一些復(fù)雜的電氣系統(tǒng)中，尤其是存在多個(gè)接地電位的情況下，非常有利于保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。

　　4.更大的動(dòng)態(tài)范圍

　　差分信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可以比單端信號(hào)更大。因?yàn)椴罘中盘?hào)的擺幅可以在兩根信號(hào)線之間進(jìn)行分配，而不依賴于與地的相對(duì)電壓。例如，在一些高精度的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)應(yīng)用中，差分輸入可以提供更寬的輸入電壓范圍，從而能夠更好地采集微弱信號(hào)或者處理較大幅度的信號(hào)而不易飽和。

　　四、差分信號(hào)在采集時(shí)相對(duì)于單端信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

　　1.提高信號(hào)完整性

　　在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)牟杉瘓?chǎng)景中，差分信號(hào)能夠保持信號(hào)的完整性。由于其抗干擾和共模噪聲抑制能力，差分信號(hào)在傳輸過程中信號(hào)的衰減和失真相對(duì)較小。相比之下，單端信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，受到的干擾和噪聲積累會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，可能會(huì)使采集到的信號(hào)無法準(zhǔn)確反映原始信號(hào)的特征。

　　2.提高采集精度

　　差分信號(hào)的抗干擾特性使得采集到的信號(hào)更接近原始信號(hào)的真實(shí)值。在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，單端信號(hào)容易受到噪聲的淹沒，而差分信號(hào)能夠有效地去除共模噪聲，從而提高了采集的精度。例如，在生物電信號(hào)(如心電信號(hào))的采集過程中，差分信號(hào)采集方式可以更好地提取微弱的心電信號(hào)，減少外界干擾對(duì)信號(hào)的影響，提高診斷的準(zhǔn)確性。

　　3.適用于復(fù)雜電磁環(huán)境

　　在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子等復(fù)雜電磁環(huán)境的應(yīng)用中，差分信號(hào)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。這些環(huán)境中存在大量的電氣設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的電磁干擾。差分信號(hào)能夠在這樣的環(huán)境中穩(wěn)定地傳輸信號(hào)，保證采集系統(tǒng)的可靠性。而單端信號(hào)在這種情況下，可能需要更復(fù)雜的屏蔽和濾波措施才能保證采集信號(hào)的質(zhì)量，但即使如此，也很難達(dá)到差分信號(hào)的抗干擾效果。

　　4.更好的電源抑制比(PSRR)

　　差分信號(hào)在采集電路中通常具有更好的電源抑制比。電源的波動(dòng)會(huì)在電路中引入噪聲，對(duì)于單端信號(hào)，電源噪聲會(huì)直接影響信號(hào)的采集精度。而差分信號(hào)由于其差值運(yùn)算的特性，對(duì)電源噪聲也有一定的抑制能力。例如，在一些對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的傳感器采集系統(tǒng)中，差分信號(hào)采集可以減少電源波動(dòng)對(duì)采集結(jié)果的影響。

　　五、結(jié)論

　　綜上所述，差分信號(hào)在信號(hào)采集方面相比單端信號(hào)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括更強(qiáng)的抗干擾能力、更好的共模噪聲抑制、更大的動(dòng)態(tài)范圍、更高的采集精度以及更適合復(fù)雜電磁環(huán)境等。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，隨著對(duì)信號(hào)質(zhì)量和采集精度要求的不斷提高，差分信號(hào)的應(yīng)用越來越廣泛，它為實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的信號(hào)采集提供了可靠的解決方案。

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