單端（Single-Ended）模式與差分（Differential）模式的區(qū)別

crifan

單端（Single-Ended）模式與差分（Differential）模式的區(qū)別

Version: 2011-08-11

Author: green-waste (at) 163.com

【背景】

在一個(gè)Silabs的C8051F347的芯片中，外接一個(gè)ADC用于判斷出不同的外部接口類(lèi)型，即ADC檢測(cè)出一定的模擬值，在某一范圍，對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的接口。

在初始化ADC的時(shí)候，會(huì)去配置Silabs中對(duì)應(yīng)的寄存器AMX0P和AMX0N。

其中：

AMX0P配置了，你使用哪個(gè)Pin腳作為ADC輸入；

AMX0N配置了，對(duì)于模擬信號(hào)的輸入檢測(cè)方式，是使用Single-ended模式還是Differential模式。

對(duì)于Single-ended模式還是Differential模式，具體的含義即兩者的區(qū)別，簡(jiǎn)單總結(jié)如下：

【模擬信號(hào)的輸入檢測(cè)方式：Single-ended模式和Differential模式的區(qū)別】

	Single-ended輸入模式	Differential輸入模式
硬件信號(hào)線(xiàn)連接方式	對(duì)于每一個(gè)信號(hào)源，都有一根線(xiàn)，連接到你所用到的數(shù)據(jù)采集接口上。	兩根信號(hào)線(xiàn)，連接對(duì)應(yīng)的信號(hào)源。每一根接到對(duì)應(yīng)的輸入端，比如a+和a-。
數(shù)據(jù)采集方式	測(cè)量信號(hào)與地（ground）之間的差別	有兩個(gè)高阻抗的功率放大器，檢測(cè)輸入端與接口地端之間的電壓。還有第三個(gè)功率放大器，用來(lái)算出前兩個(gè)功放所測(cè)得的電壓，即a+和a-，之間差值。這樣就排除了兩者之間公共的電壓所帶來(lái)的影響。
用此法的前提	（1）信號(hào)線(xiàn)是接地的（2）采樣設(shè)備的ground和信號(hào)源的ground是相同的（值）
缺點(diǎn)	（1）地電平差異：一般設(shè)備是認(rèn)為ground是0V的常量，但是實(shí)際上，不同的位置，常有不同的電平。兩者位置越接近，電平越接近于相同。但是如果將兩者的地連接在一起的話(huà)，電平差值會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大電流，即接地回路。這會(huì)導(dǎo)致在使用Single-ended模式輸入的時(shí)候會(huì)出錯(cuò)。（2）噪音錯(cuò)誤：Single-ended模式輸入對(duì)于噪音錯(cuò)誤很敏感。噪音，即非期望的信號(hào)組合。由于信號(hào)線(xiàn)就像天線(xiàn)，會(huì)捕獲環(huán)境電子活動(dòng)，導(dǎo)致了噪音的產(chǎn)生。而對(duì)于Single-ended模式，是無(wú)法區(qū)分噪音和實(shí)際信號(hào)的。使用differential輸入，可以解決接地和噪音的問(wèn)題。	（1）信號(hào)浮空：使用差分模式最常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是忘了將某個(gè)連接接地，即浮空。例如電池供電的設(shè)備和熱電偶沒(méi)有接地的連接。例如，你可以在+和-輸入之間接上一個(gè)電池。然后兩個(gè)輸入放大器會(huì)去監(jiān)視+到地的電壓和-到地的電壓。然而，由于沒(méi)有電池和地之間沒(méi)有連接，這些測(cè)得的電壓可能是任何的值，也許就就會(huì)超過(guò)放大器的處理范圍。 對(duì)于這些浮空的信號(hào)源，應(yīng)當(dāng)提供一個(gè)參考源。比如Microlink有一個(gè)標(biāo)示為0V的插槽。從“-”線(xiàn)上連一個(gè)連到這個(gè)0V的插槽，或者直接通過(guò)一個(gè)電阻相連，即可解決此問(wèn)題。而如果你的信號(hào)本身是自接地的，那么就不需要接這個(gè)0V了。（2）三個(gè)用來(lái)差分輸入檢測(cè)的放大器，總稱(chēng)為設(shè)備放大器。如前所述，理想情況下，對(duì)于兩根線(xiàn)共有的電壓，都可以因差分計(jì)算而被消除掉。而實(shí)際上，兩個(gè)輸入放大器，并不能完美的互相匹配，因此對(duì)于公共電壓，多少會(huì)出現(xiàn)一些差別的。對(duì)于設(shè)備放大器接近于理想情況的程度大小，可以表述為共模抑制比，單位是分貝。此參數(shù)越高越好。另外需要考慮的一點(diǎn)是，公共電壓的范圍，即放大器所能處理的最大的公共電壓，如果環(huán)境電壓超過(guò)此閾值，那么測(cè)量結(jié)果就不準(zhǔn)確了。（你的硬件操作范圍也許可以設(shè)計(jì)的比公共電壓范圍更大，但是操作電壓范圍只能保證你的硬件不會(huì)被損壞，卻不能保證一定能正常工作。）（3）差分輸入需要更少的信號(hào)？差分輸入和Single-ended輸入相比，有一個(gè)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)：你需要兩倍數(shù)目的線(xiàn)，然后你才可以連接到一半數(shù)目的信號(hào)。如果你只有更短的信號(hào)線(xiàn)，信號(hào)線(xiàn)之間更近，信號(hào)大于100mV的話(huà)，經(jīng)過(guò)評(píng)估，覺(jué)得用Single-ended輸入，對(duì)你也是OK的，這時(shí)，你可以在Single-ended輸入模式中使用差分輸入模式。具體做法是，短路其中一根信號(hào)線(xiàn)（通常是短路輸入端）接到V輸入上。這樣的話(huà)，差分輸入，就可以提供兩種模式任你選了。
優(yōu)點(diǎn)		解決了Single-ended模式所具有的問(wèn)題，即，（只要他們的電壓不是太大，而使得功法無(wú)法處理的話(huà)）使用此法測(cè)得的值，是與接地?zé)o關(guān)的。同樣地，此法中，兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)，如果有噪音，那么也是相同的，而做了差值后，也就消除了，減去了噪音的干擾。

【引用】

1. Technical Notes: Differential and Single-Ended Inputs

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