示波器輸入阻抗選1MΩ還是50Ω的詳細(xì)解析

熟悉示波器的朋友可能都會(huì)有過(guò)這樣的困惑：輸入阻抗有1MΩ和50Ω兩種，我們到底該如何選擇呢？

一、傳輸線

想要講清楚50Ω的由來(lái)，我們需要先講一下傳輸線。電信號(hào)實(shí)際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的。當(dāng)傳輸線的尺寸不再遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)時(shí)，就不得不考慮這個(gè)“波”的特性了。下圖是將一個(gè)窄脈沖施加到100m左右的終端短路的網(wǎng)線上時(shí)，示波器在信號(hào)源端測(cè)量到的圖片?？梢栽谄渖厦黠@看出有一個(gè)入射波和一個(gè)反射波。

當(dāng)入射波和反射波疊加在一起回發(fā)生什么呢，你的方波信號(hào)信號(hào)可能就會(huì)成這樣。

如何阻止信號(hào)反射呢？

就像光要在水面才發(fā)生反射一樣，電信號(hào)也是在其傳輸介質(zhì)發(fā)生改變的時(shí)候才會(huì)發(fā)生反射，為了避免傳輸線上發(fā)生反射，就出現(xiàn)了均勻傳輸線，如PCB微帶線，同軸線等，他們介質(zhì)均勻，任何一點(diǎn)橫截面幾何結(jié)構(gòu)相同，這樣就可以保證電信號(hào)不會(huì)在傳輸線內(nèi)發(fā)生反射了。

但是信號(hào)一旦來(lái)到傳輸線終點(diǎn)，豈不是還是要發(fā)生反射么？

其實(shí)只要保證信號(hào)的瞬時(shí)阻抗不變，同樣也不會(huì)發(fā)生反射。瞬時(shí)阻抗就是電信號(hào)在傳輸線上某一點(diǎn)所受的阻抗，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)均勻傳輸線的瞬時(shí)阻抗是個(gè)純阻性的，與頻率無(wú)關(guān)，就像個(gè)電阻，而且瞬時(shí)阻抗只與傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)和填充材料有關(guān)，所以又叫做特性阻抗。既然瞬時(shí)阻抗像電阻，那我們就給負(fù)載并聯(lián)一個(gè)電阻，讓其阻值和特性阻抗相等，這樣信號(hào)就不會(huì)反射回來(lái)，而是被電阻吸收。您的電路也就清凈了。這種方法叫做終端匹配。

二、著名的50Ω

特性阻抗大小會(huì)影響信號(hào)傳輸功率、傳輸損耗、串?dāng)_等電氣性能，而其板材和幾何結(jié)構(gòu)又影響制造成本，這種情況只能找一個(gè)折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號(hào)都會(huì)采用50Ω特性阻抗系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標(biāo)準(zhǔn)。比如常見的PCIE，其單端阻抗就是要求是50Ω。

這就是這個(gè)50Ω的由來(lái)，也是因?yàn)槿绱?，示波器上才?huì)有個(gè)50Ω阻抗檔位。其作用就是用來(lái)匹配50Ω系統(tǒng)中的傳輸線。

三、示波器的負(fù)載效應(yīng)

有朋友可能會(huì)有疑惑，按上面的論述，豈不是50Ω的匹配比1MΩ的匹配要好，那還要1MΩ阻抗干什么呢？這就涉及到了示波器的負(fù)載效應(yīng)問(wèn)題了。

相信大家都有這種經(jīng)歷，調(diào)試一個(gè)有問(wèn)題的電路，想看看波形，結(jié)果接上探頭電路就正常了，拿開探頭電路就又出問(wèn)題。這就是負(fù)載效應(yīng)引起的。示波器本身是有輸入阻抗的，用示波器測(cè)量的同時(shí)，也不得不將這部分阻抗并聯(lián)到電路中。

先以示波器在1MΩ阻抗模式為例，其大致可以等效成是1MΩ和一個(gè)十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。

這個(gè)1MΩ是示波器的規(guī)范。而電容是我們并不想要但是又不可避免的寄生參數(shù)。在DC和較低頻時(shí)，1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過(guò)10MHz以后，電容會(huì)成為主要的負(fù)載。由于這兩個(gè)參數(shù)的引入，就會(huì)使得測(cè)量時(shí)的信號(hào)與原信號(hào)有差異，從而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。那么差異有多大呢，這也要取決于您的被測(cè)電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來(lái)說(shuō)。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?/p>

從示意圖上可以看出，低頻信號(hào)的差異主要是戴維寧輸出電阻Re與1MΩ的分壓決定，而高頻時(shí)，則需要再加上Re與16pF容抗的分壓。

經(jīng)計(jì)算可知，如果Re的值是10Ω，而信號(hào)的頻率是200MHz，則示波器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)造成-0.2dB左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個(gè)偏差會(huì)達(dá)到-1dB。所以如果測(cè)量高頻信號(hào)，建議使用10:1無(wú)源探頭進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠浼纳娙菀仁静ㄆ鞯停ǔＶ挥?pF左右的寄生電容。而1:1無(wú)源探頭通常會(huì)有60pF的寄生電容，不能用于測(cè)量高頻信號(hào)。如果10:1探頭仍然不能滿足您的需求，就要選擇寄生電容更小的高頻有源探頭進(jìn)行測(cè)量了。

如果使用50Ω阻抗檔位進(jìn)行測(cè)量會(huì)如何呢？

以Re是25Ω為例，信號(hào)將從直流開始就被衰減，而且衰減超過(guò)-3dB。這時(shí)信號(hào)就已經(jīng)被判定為失真了。所以示波器進(jìn)行50Ω匹配后就不能繼續(xù)以一個(gè)旁觀者的身份對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試了。當(dāng)被測(cè)源是一個(gè)無(wú)載信號(hào)源（比如信號(hào)發(fā)生器），這個(gè)信號(hào)本身并沒(méi)有終端匹配電阻，如果我們采用1MΩ阻抗或者探頭進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)在傳輸線終端產(chǎn)生反射，從而干擾到測(cè)量信號(hào)，而這時(shí)就需要采用50Ω阻抗檔位，示波器內(nèi)部的50Ω電阻可以吸收掉傳輸線的信號(hào)，讓反射波降到最小，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。測(cè)試示意圖如下圖所示。

四、示波器測(cè)量與50Ω相關(guān)的注意事項(xiàng)

1MΩ阻抗和50Ω阻抗檔位的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是不同的，1MΩ檔位的出發(fā)點(diǎn)是為了讓示波器擁有較小的負(fù)載效應(yīng)，可以“安安靜靜的”做個(gè)旁觀者。而50Ω檔位則是為了消除傳輸線上的信號(hào)反射，將傳輸線影響降到最低。選擇何種阻抗檔位，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況而定：

1、當(dāng)被測(cè)信號(hào)是一個(gè)無(wú)負(fù)載信號(hào)（如信號(hào)發(fā)生器），且采用50Ω特性阻抗同軸電纜與示波器相連接時(shí)，則需要使用50Ω阻抗檔位。

2、當(dāng)被測(cè)信號(hào)是一個(gè)板載信號(hào)，有自己完整的終端接收系統(tǒng)時(shí)，則需要使用1MΩ阻抗檔位直接測(cè)量或者使用探頭測(cè)量。

3、配合探頭測(cè)量時(shí)，需要注意無(wú)源探頭都需要使用1MΩ阻抗檔位，有源探頭則需要根據(jù)探頭要求進(jìn)行匹配，一般來(lái)說(shuō)高頻探頭要求50Ω阻抗檔位，低頻探頭要求1MΩ阻抗檔位。

4、使用無(wú)源探頭時(shí)需要注意，1:1探頭通常只有6MHz的帶寬。想要更高頻率，需要選用帶衰減的無(wú)源探頭。