示波器輸入阻抗該選1MΩ還是50Ω？

　　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(xiàn)

　　想要講清楚50Ω的由來(lái)，我們需要先講一下傳輸線(xiàn)。電信號實(shí)際上是以電磁波的形式在傳輸線(xiàn)中傳播的。當傳輸線(xiàn)的尺寸不再遠小于電磁波波長(cháng)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(xiàn)上時(shí)，示波器在信號源端測量到的圖片?？梢栽谄渖厦黠@看出有一個(gè)入射波和一個(gè)反射波。

　　圖1

　　當入射波和反射波疊加在一起回發(fā)生什么呢，您的方波信號信號可能就會(huì )成這樣。

　　圖2

　　二、如何阻止信號反射呢?

　　就像光要在水面才發(fā)生反射一樣，電信號也是在其傳輸介質(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(xiàn)上發(fā)生反射，就出現了均勻傳輸線(xiàn)，如PCB微帶線(xiàn)，同軸線(xiàn)等，他們介質(zhì)均勻，任何一點(diǎn)橫截面幾何結構相同，這樣就可以保證電信號不會(huì )在傳輸線(xiàn)內發(fā)生反射了。

　　但是信號一旦來(lái)到傳輸線(xiàn)終點(diǎn)，豈不是還是要發(fā)生反射么?

　　其實(shí)只要保證信號的瞬時(shí)阻抗不變，同樣也不會(huì )發(fā)生反射。瞬時(shí)阻抗就是電信號在傳輸線(xiàn)上某一點(diǎn)所受的阻抗，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現均勻傳輸線(xiàn)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(xiàn)的幾何結構和填充材料有關(guān)，所以又叫做特性阻抗。既然瞬時(shí)阻抗像電阻，那我們就給負載并聯(lián)一個(gè)電阻，讓其阻值和特性阻抗相等，這樣信號就不會(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。

　　三、著(zhù)名的50Ω

　　特性阻抗大小會(huì )影響信號傳輸功率、傳輸損耗、串擾等電氣性能，而其板材和幾何結構又影響制造成本，這種情況只能找一個(gè)折中值。而50Ω正是同軸線(xiàn)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)。所以大多數高速信號都會(huì )采用50Ω特性阻抗系統，形成標準并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標準。比如常見(jiàn)的PCIE，其單端阻抗就是要求是50Ω。

　　這就是這個(gè)50Ω的由來(lái)，也是因為如此，示波器上才會(huì )有個(gè)50Ω阻抗檔位。其作用就是用來(lái)匹配50Ω系統中的傳輸線(xiàn)。

　　四、示波器的負載效應

　　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載效應問(wèn)題了。

　　相信大家都有這種經(jīng)歷，調試一個(gè)有問(wèn)題的電路，想看看波形，結果接上探頭電路就正常了，拿開(kāi)探頭電路就又出問(wèn)題。這就是負載效應引起的。示波器本身是有輸入阻抗的，用示波器測量的同時(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。

　　圖3

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

　　圖4

　　可知原信號為：  

;低頻信號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)計算可知，如果Re的值是10Ω，而信號的頻率是200MHz，則示波器的負載效應會(huì )造成-0.2dB左右的偏差。而如果您系統的Re是25Ω，那么這個(gè)偏差會(huì )達到-1dB。所以如果測量高頻信號，建議使用10:1無(wú)源探頭進(jìn)行測量，因為其寄生電容要比示波器低，通常只有9pF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，不能用于測量高頻信號。如果10:1探頭仍然不能滿(mǎn)足您的需求，就要選擇寄生電容更小的高頻有源探頭進(jìn)行測量了。

　　如果使用50Ω阻抗檔位進(jìn)行測量會(huì )如何呢?

　　以Re是25Ω為例，信號將從直流開(kāi)始就被衰減，而且衰減超過(guò)-3dB。這時(shí)信號就已經(jīng)被判定為失真了。所以示波器進(jìn)行50Ω匹配后就不能繼續以一個(gè)旁觀(guān)者的身份對系統進(jìn)行測試了。當被測源是一個(gè)無(wú)載信號源(比如信號發(fā)生器)，這個(gè)信號本身并沒(méi)有終端匹配電阻，如果我們采用1MΩ阻抗或者探頭進(jìn)行測量，就會(huì )在傳輸線(xiàn)終端產(chǎn)生反射，從而干擾到測量信號，而這時(shí)就需要采用50Ω阻抗檔位，示波器內部的50Ω電阻可以吸收掉傳輸線(xiàn)的信號，讓反射波降到最小，從而對信號進(jìn)行準確測量。測試示意圖如下圖所示。

　　圖5

　　五、示波器測量與50Ω相關(guān)的注意事項

　　1MΩ阻抗和50Ω阻抗檔位的設計出發(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載效應，可以“安安靜靜的”做個(gè)旁觀(guān)者。而50Ω檔位則是為了消除傳輸線(xiàn)上的信號反射，將傳輸線(xiàn)影響降到最低。選擇何種阻抗檔位，需要根據實(shí)際測量情況而定：

　　1、當被測信號是一個(gè)無(wú)負載信號(如信號發(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、當被測信號是一個(gè)板載信號，有自己完整的終端接收系統時(shí)，則需要使用1MΩ阻抗檔位直接測量或者使用探頭測量。

　　3、配合探頭測量時(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。