差分信号

2013年9月30日 22:28
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一个差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。从严格意义上来讲,所有电压信号都是差分的,因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里,系统'地'被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时,这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。
        另一方面,一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要,这两个电压的平均值还是会经常保持一致。我们用一个方法对差分信号做一下比喻,差分信号就好比是跷跷板上的两个人,当一个人被跷上去的时候,另一个人被跷下来了 - 但是他们的平均位置是不变的。继续跷跷板的类推,正值可以表示左边的人比右边的人高,而负值表示右边的人比左边的人高。0 表示两个人都是同一水平。
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图1 用跷跷板表示的差分信号

应用到电学上,这两个跷跷板用一对标识为V+和V-的导线来表示。当V+>V-时,信号定义成正极信号,当V+
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图2 差分信号波形和单端等价

图2 差分对围绕摆动的平均电压设置成 2.5V。当该对的每个信号都限制成 0-5V 振幅时,偏移该差分对会提供一个信号摆动的最大范围。当用单一 5V 电源操作时,经常就会出现这种情况。
       当不采用单端信号而采取差分信号方案时,我们用一对导线来替代单根导线,增加了任何相关接口电路的复杂性。那么差分信号提供了什么样的有形益处,才能证明复杂性和成本的增加是值得的呢?
       差分信号的第一个好处是,因为你在控制'基准'电压,所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准,单端信号方案的系统里,测量信号的精确值依赖系统内'地'的一致性。信号源和信号接收器距离越远,他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与'地'的精确值无关,而在某一范围内。
        差分信号的第二个主要好处是,它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值,这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外,差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。差分信号提供的第三个好处是,在一个单电源系统,能够从容精确地处理'双极'信号。为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处(通常是中点)建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来,必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号,不需要这样一个虚地,这就使我们处理和传播双极信号有一个高*真度,而无须依赖虚地的稳定性。

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