示波器输入阻抗该选 1MΩ 还是 50Ω?

时间:2018-01-17 15:06来源:ZLG致远电子

摘要:熟悉示波器的朋友可能都会有过这样的困惑:输入阻抗有1MΩ和50Ω两种,我们到底该如何选择呢?

熟悉示波器的朋友可能都会有过这样的困惑:输入阻抗有 1MΩ 和 50Ω 两种,我们到底该如何选择呢? 

 
 
一、传输线
想要讲清楚 50Ω 的由来,我们需要先讲一下传输线。电信号实际上是以电磁波的形式在传输线中传播的。当传输线的尺寸不再远小于电磁波波长时,就不得不考虑这个“波”的特性了。下图是将一个窄脉冲施加到 100m 左右的终端短路的网线上时,示波器在信号源端测量到的图片。可以在其上明显看出有一个入射波和一个反射波。


 
图1
 
当入射波和反射波叠加在一起回发生什么呢,您的方波信号信号可能就会成这样。

 
图2
 
二、如何阻止信号反射呢?
就像光要在水面才发生反射一样,电信号也是在其传输介质发生改变的时候才会发生反射,为了避免传输线上发生反射,就出现了均匀传输线,如 PCB 微带线,同轴线等,他们介质均匀,任何一点横截面几何结构相同,这样就可以保证电信号不会在传输线内发生反射了。

但是信号一旦来到传输线终点,岂不是还是要发生反射么?

其实只要保证信号的瞬时阻抗不变,同样也不会发生反射。瞬时阻抗就是电信号在传输线上某一点所受的阻抗,经过研究发现均匀传输线的瞬时阻抗是个纯阻性的,与频率无关,就像个电阻,而且瞬时阻抗只与传输线的几何结构和填充材料有关,所以又叫做特性阻抗。既然瞬时阻抗像电阻,那我们就给负载并联一个电阻,让其阻值和特性阻抗相等,这样信号就不会反射回来,而是被电阻吸收。您的电路也就清净了。这种方法叫做终端匹配。

三、著名的 50Ω
特性阻抗大小会影响信号传输功率、传输损耗、串扰等电气性能,而其板材和几何结构又影响制造成本,这种情况只能找一个折中值。而 50Ω 正是同轴线的传输功率、传输损耗以及制造成本的一个最佳平衡点。所以大多数高速信号都会采用 50Ω 特性阻抗系统,形成标准并沿用至今,成为使用最广泛的一种阻抗标准。比如常见的 PCIE,其单端阻抗就是要求是 50Ω。

这就是这个 50Ω 的由来,也是因为如此,示波器上才会有个 50Ω 阻抗档位。其作用就是用来匹配 50Ω 系统中的传输线。

四、示波器的负载效应
有朋友可能会有疑惑,按上面的论述,岂不是 50Ω 的匹配比 1MΩ 的匹配要好,那还要1MΩ 阻抗干什么呢?这就涉及到了示波器的负载效应问题了。

相信大家都有这种经历,调试一个有问题的电路,想看看波形,结果接上探头电路就正常了,拿开探头电路就又出问题。这就是负载效应引起的。示波器本身是有输入阻抗的,用示波器测量的同时,也不得不将这部分阻抗并联到电路中。

先以示波器在 1MΩ 阻抗模式为例,其大致可以等效成是 1MΩ 和一个十几pF的电容并联在一起的形式。


 
图3

这个 1MΩ 是示波器的规范。而电容是我们并不想要但是又不可避免的寄生参数。在 DC 和较低频时,1MΩ 起到主导地位。而当频率超过 10MHz 以后,电容会成为主要的负载。由于这两个参数的引入,就会使得测量时的信号与原信号有差异,从而使测量结果出现误差。那么差异有多大呢,这也要取决于您的被测电路的输出电阻和负载。就按上图的例子来说。根据戴维宁定理,可变为:

 
图4
 
可知原信号为;;低频信号的差异主要是戴维宁输出电阻 Re 与 1MΩ 的分压决定,而高频时,则需要再加上 Re 与 16pF 容抗的分压。

经计算可知,如果 Re 的值是 10Ω,而信号的频率是 200MHz,则示波器的负载效应会造成-0.2dB 左右的偏差。而如果您系统的 Re 是25Ω,那么这个偏差会达到-1dB。所以如果测量高频信号,建议使用10:1无源探头进行测量,因为其寄生电容要比示波器低,通常只有 9pF 左右的寄生电容。而1:1无源探头通常会有 60pF 的寄生电容,不能用于测量高频信号。如果10:1探头仍然不能满足您的需求,就要选择寄生电容更小的高频有源探头进行测量了。

如果使用 50Ω 阻抗档位进行测量会如何呢?

以 Re 是 25Ω 为例,信号将从直流开始就被衰减,而且衰减超过-3dB。这时信号就已经被判定为失真了。所以示波器进行 50Ω 匹配后就不能继续以一个旁观者的身份对系统进行测试了。当被测源是一个无载信号源(比如信号发生器),这个信号本身并没有终端匹配电阻,如果我们采用 1MΩ 阻抗或者探头进行测量,就会在传输线终端产生反射,从而干扰到测量信号,而这时就需要采用 50Ω 阻抗档位,示波器内部的 50Ω 电阻可以吸收掉传输线的信号,让反射波降到最小,从而对信号进行准确测量。测试示意图如下图所示。


 
图5
 
五、示波器测量与 50Ω 相关的注意事项
1MΩ 阻抗和 50Ω 阻抗档位的设计出发点是不同的,1MΩ 档位的出发点是为了让示波器拥有较小的负载效应,可以“安安静静的”做个旁观者。而 50Ω 档位则是为了消除传输线上的信号反射,将传输线影响降到最低。选择何种阻抗档位,需要根据实际测量情况而定:

1、当被测信号是一个无负载信号(如信号发生器),且采用 50Ω 特性阻抗同轴电缆与示波器相连接时,则需要使用 50Ω 阻抗档位。

2、当被测信号是一个板载信号,有自己完整的终端接收系统时,则需要使用 1MΩ 阻抗档位直接测量或者使用探头测量。

3、配合探头测量时,需要注意无源探头都需要使用 1MΩ 阻抗档位,有源探头则需要根据探头要求进行匹配,一般来说高频探头要求 50Ω 阻抗档位,低频探头要求 1MΩ 阻抗档位。

4、使用无源探头时需要注意,1:1探头通常只有 6MHz 的带宽。想要更高频率,需要选用带衰减的无源探头。

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