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单端(Single-Ended)模式与差分(Differential)模式的区别

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单端(Single-Ended)模式与差分(Differential)模式的区别

Version: 2011-08-11

Author: green-waste (at) 163.com

 

【背景】

在一个SilabsC8051F347的芯片中,外接一个ADC用于判断出不同的外部接口类型,即ADC检测出一定的模拟值,在某一范围,对应对应不同的接口。

在初始化ADC的时候,会去配置Silabs中对应的寄存器AMX0PAMX0N

其中:

AMX0P配置了,你使用哪个Pin脚作为ADC输入;

AMX0N配置了,对于模拟信号的输入检测方式,是使用Single-ended模式还是Differential模式。

对于Single-ended模式还是Differential模式,具体的含义即两者的区别,简单总结如下:

 

【模拟信号的输入检测方式:Single-ended模式和Differential模式的区别】

 

 

Single-ended输入模式

Differential输入模式

硬件信号线连接方式

对于每一个信号源,都有一根线,连接到你所用到的数据采集接口上。

两根信号线,连接对应的信号源。每一根接到对应的输入端,比如a+a-

数据采集方式

测量信号与地(ground)之间的差别

有两个高阻抗的功率放大器,检测输入端与接口地端之间的电压。

还有第三个功率放大器,用来算出前两个功放所测得的电压,即a+a-,之间差值。

这样就排除了两者之间公共的电压所带来的影响。

用此法的前提

1)信号线是接地的

2)采样设备的ground和信号源的ground是相同的(值)

 

缺点

1)地电平差异:一般设备是认为ground0V的常量,但是实际上,不同的位置,常有不同的电平。两者位置越接近,电平越接近于相同。但是如果将两者的地连接在一起的话,电平差值会导致一个大电流,即接地回路。这会导致在使用Single-ended模式输入的时候会出错。

2)噪音错误:Single-ended模式输入对于噪音错误很敏感。噪音,即非期望的信号组合。由于信号线就像天线,会捕获环境电子活动,导致了噪音的产生。而对于Single-ended模式,是无法区分噪音和实际信号的。

 

使用differential输入,可以解决接地和噪音的问题。

1)信号浮空:使用差分模式最常见的一个问题就是忘了将某个连接接地,即浮空。例如电池供电的设备和热电偶没有接地的连接。例如,你可以在+输入之间接上一个电池。然后两个输入放大器会去监视+到地的电压和到地的电压。然而,由于没有电池和地之间没有连接,这些测得的电压可能是任何的值,也许就就会超过放大器的处理范围。

对于这些浮空的信号源,应当提供一个参考源。

比如Microlink有一个标示为0V的插槽。从“”线上连一个连到这个0V的插槽,或者直接通过一个电阻相连,即可解决此问题。而如果你的信号本身是自接地的,那么就不需要接这个0V了。

2)三个用来差分输入检测的放大器,总称为设备放大器。如前所述,理想情况下,对于两根线共有的电压,都可以因差分计算而被消除掉。而实际上,两个输入放大器,并不能完美的互相匹配,因此对于公共电压,多少会出现一些差别的。对于设备放大器接近于理想情况的程度大小,可以表述为共模抑制比,单位是分贝。此参数越高越好。

另外需要考虑的一点是,公共电压的范围,即放大器所能处理的最大的公共电压,如果环境电压超过此阈值,那么测量结果就不准确了。(你的硬件操作范围也许可以设计的比公共电压范围更大,但是操作电压范围只能保证你的硬件不会被损坏,却不能保证一定能正常工作。)

3)差分输入需要更少的信号?

差分输入和Single-ended输入相比,有一个显而易见的缺点:你需要两倍数目的线,然后你才可以连接到一半数目的信号。如果你只有更短的信号线,信号线之间更近,信号大于100mV的话,经过评估,觉得用Single-ended输入,对你也是OK的,这时,你可以在Single-ended输入模式中使用差分输入模式。具体做法是,短路其中一根信号线(通常是短路输入端)接到V输入上。这样的话,差分输入,就可以提供两种模式任你选了。

优点

 

解决了Single-ended模式所具有的问题,即,(只要他们的电压不是太大,而使得功法无法处理的话)使用此法测得的值,是与接地无关的。

同样地,此法中,两个信号线,如果有噪音,那么也是相同的,而做了差值后,也就消除了,减去了噪音的干扰。

 

 

【引用】

1.  Technical Notes: Differential and Single-Ended Inputs

http://www.microlink.co.uk/differential.html

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