判断和测量共模信号

第一部分：什么是共模信号？如何理解？

要理解共模信号，必须和它的“孪生兄弟”——差模信号 一起看。

想象一个典型的差分信号传输系统，比如一对双绞线（线A和线B），传输一个信号。

1. 差模信号

   • 定义：这是我们希望传输的有用信号。它表现为两根信号线上的电压大小相等、极性相反。
   • 路径：电流从驱动器出发，沿一条线流向接收器，再沿另一条线返回。
   • 示例：如果线A对地电压是 +1V，线B对地电压是 -1V，那么差模信号就是 2V。
   • 公式： $V_{dm}=V_A-V_B$

2. 共模信号

   • 定义：这是不希望存在的干扰或直流偏置。它表现为两根信号线上的电压大小相等、极性相同。
   • 来源：
     • 外部干扰：例如附近的电源线、电机等产生的电磁场，会同时耦合到两根线上。
     • 地电位差：系统的发送端和接收端地平面不是绝对等电位，这个电位差会同时影响到两根信号线。
     • 电路本身：驱动器可能输出一个共同的直流偏置电压。
   • 示例：如果线A对地电压是 3.1V，线B对地电压是 2.9V，那么它们共有的部分就是 3V。这个3V就是共模电压。
   • 公式： $V_{cm}=\frac{(V_A+V_B)}{2}$

一个综合例子：
假设在某个时刻：

• $V_A=3.1V$
• $V_B=2.9V$

我们可以计算出：

• 差模电压 $V_{dm}=V_A-V_B=3.1-2.9=0.2V$ (这是有用信号)
• 共模电压 $V_{cm}=\frac{V_A+V_B}{2}=\frac{3.1+2.9}{2}=3.0V$ (这是共模信号)

所以，实际测量到的 ( V_A ) 和 ( V_B ) 可以看作是 差模信号 和 共模信号 的叠加：
$V_A=V_{cm}+\frac{V_{dm}}{2}=3.0+0.1=3.1V$
$V_B=V_{cm}-\frac{V_{dm}}{2}=3.0-0.1=2.9V$

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第二部分：如何判断是否存在共模信号？

在实际电路中，你很少需要去“猜测”是否存在共模信号，因为它几乎总是存在的。关键在于判断它是否在可接受的范围内，或者是否是导致问题的元凶。

判断依据和方法：

1. 理论分析电路拓扑

   • 差分对：只要电路使用差分对（如USB、HDMI、CAN总线、RS485、以太网等），就默认设计为处理共模信号。这些系统的接收器只关心差值 ( V_A - V_B )，对共模信号有天然的抑制作用。
   • 单端信号与地线：如果系统使用单端信号（如UART），并且发送和接收端的地线存在阻抗，那么地电位差就会直接转化为共模噪声。

2. 观察故障现象

   • 数据错误/丢包：当共模噪声过大，超过了接收器的共模输入范围时，接收器的放大器会饱和，无法正确识别差模信号，导致数据错误。
   • 系统不稳定/重启：强烈的共模干扰（如来自电机、开关电源）可能通过地线耦合到数字电路的电源中，导致微控制器复位。
   • 测量误差：在高精度模拟测量（如传感器信号采集）中，共模噪声会严重降低信噪比和测量精度。

3. 使用示波器初步观察

   • 将两个通道的探头分别接到线A和线B（探头地线都接系统GND）。
   • 设置示波器，将两个波形以地电平为参考显示。
   • 如果看到两个波形“同向”跳动或漂移，而不是完美地对称于地电平，那么很可能存在较强的共模噪声。

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第三部分：如何测量共模信号？

这是最关键的操作部分。测量共模信号有两种主流方法：

方法一：使用示波器的数学运算功能（最常用、最便捷）

这是工程中最推荐的方法，因为它简单且能直观地看到共模噪声的时域波形。

步骤：

1. 连接探头：

   • 通道1 (CH1) 探头尖端接 线A，地线夹子接 系统地。
   • 通道2 (CH2) 探头尖端接 线B，地线夹子接 系统地。
   • 重要：必须使用两个相同的探头，并且地线夹子接在同一个点（通常是接收端的GND），以确保参考点一致。

2. 设置示波器：

   • 调整CH1和CH2的垂直刻度（Volts/Div）和偏移，使两个信号清晰地显示在屏幕上。
   • 打开示波器的 数学运算 功能。
   • 设置数学函数为： Math = (CH1 + CH2) / 2

3. 读取结果：

   • 此时，数学运算通道显示的波形就是 共模电压 ( V_{cm} ) 随时间变化的曲线。
   • 你可以使用示波器的测量功能（如平均值、RMS值、峰峰值）来量化这个共模信号。
     • 直流共模电压：看平均值。
     • 共模噪声：看峰峰值或RMS值。

示意图：

信号线A -----> CH1|----> Math = (CH1 + CH2) / 2  --> 显示共模信号
信号线B -----> CH2
系统地 -----> CH1_GND & CH2_GND

方法二：使用差分探头（更专业、更准确）

差分探头是专门为这种测量设计的工具。它内部有一个高精度的差分放大器，可以直接测量两个点之间的电压差，同时抑制共模信号。

如何用它测共模信号？
虽然差分探头主要用来测差模信号，但通过巧妙的连接，也可以测共模信号。

1. 连接探头：

   • 将差分探头的 正极（+） 和 负极（-） 分别用短线连接在一起。
   • 将这两个连接点再一起接到一个普通的无源探头（例如CH1）的尖端上。
   • 将这个无源探头的地线夹子接系统地。
   • 将差分探头的参考地线接系统地。

2. 测量：

   • 现在，用这个无源探头（CH1）去测量线A，此时差分探头测量到的是线A对地的电压。
   • 然后，用这个无源探头（CH1）去测量线B，此时差分探头测量到的是线B对地的电压。
   • 最后，将两次测量的结果相加并除以2，即可得到共模电压。

这种方法更复杂，但优点是：

• 高共模抑制比(CMRR)：在强噪声环境下更准确。
• 高电压能力：可以测量高压系统（如电机驱动）的共模电压。

总结

方面	关键要点
是什么	同时出现在差分对两线上的、大小和极性相同的噪声或偏置。
判断	分析电路是否为差分系统；观察系统是否受干扰；用示波器看双通道波形是否同向漂移。
测量	首选方法：用双通道示波器，设置 Math = (CH1 + CH2) / 2。 专业方法：结合差分探头和普通探头进行计算。
核心公式	共模电压 $V_{cm}=\frac{V_A+V_B}{2}$
最终目标	确保共模电压在接收器的 共模输入范围 之内，并且共模噪声足够小，不影响系统性能。

希望这个详细的解释能帮助你彻底理解和掌握共模信号的判断与测量。