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差分信號是由兩個幅度相等、相位相反的信號組成，其信息通過兩者的差值傳遞。差分探頭的設計初衷就是優化這類信號的測量，典型應用包括：

高速數字總線：如 USB（尤其是 USB 3.0 及以上）、HDMI、LVDS（低壓差分信號，常用于顯示屏與主板連接）、SATA（硬盤接口）等，這些總線通過差分信號傳輸以減少干擾、提高傳輸速率。

差分通信協議：例如 CAN 總線（汽車電子中常用，通過差分信號抗電磁干擾）、Ethernet（以太網，部分高速版本采用差分傳輸）、RS485（工業通信，差分信號實現長距離傳輸）。

差分放大器輸出：在模擬電路中，差分放大器的輸出信號通常為差分形式，需用差分探頭測量其幅度和相位差。

差分探頭一般具備交流耦合模式，可過濾直流分量，專注測量交流信號，包括：

音頻信號：音頻設備中部分差分輸出的信號（如平衡音頻接口 XLR），用差分探頭可準確測量其幅度和失真度。

交流電源信號：可測量交流電源的電壓波形（需注意探頭的電壓量程），尤其適用于存在共模干擾的場景（如電源線上的噪聲）。

高頻振蕩信號：如射頻電路中的差分振蕩信號，差分探頭的高頻帶寬（部分型號可達 GHz 級別）使其能捕捉高頻細節。

當信號中混入共模噪聲（如接地噪聲、電磁干擾 EMI）時，單端探頭會受干擾影響測量準確性，而差分探頭能有效抑制共模信號，因此適合測量：

電機驅動信號：電機運行時會產生強電磁干擾，其驅動電壓（如直流電機的 PWM 驅動信號）常帶有共模噪聲，差分探頭可清晰還原真實信號。

工業控制信號：工業環境中存在大量設備干擾，傳感器（如壓力、溫度傳感器）的差分輸出信號需用差分探頭測量，避免干擾導致誤判。

電源紋波：開關電源輸出的電壓中可能包含共模紋波，差分探頭可排除接地噪聲，精準測量差模紋波的幅度和頻率。

部分高壓差分探頭（如用于電力電子領域）可測量千伏級別的差分信號，適用于：

功率電子電路：如逆變器、變頻器中的橋臂電壓（上下管之間的差分電壓），新能源汽車的高壓電池管理系統（BMS）中的電芯電壓差等。

高壓設備測試：如高壓變壓器的次級輸出差分電壓、高壓直流輸電系統中的差分信號監測。

純直流信號：多數差分探頭的直流精度較低（部分型號支持直流耦合，但性能不如直流探頭），測量純直流信號建議用單端直流探頭。

超出量程的信號：需嚴格遵守探頭的電壓額定值（包括差模電壓和共模電壓），否則可能損壞探頭或儀器。

單端信號（非必需時）：單端信號（如普通 GPIO 電平）用單端探頭更簡便，差分探頭雖可測（將一端接地），但無優勢。