為什么示波器阻抗偏偏是1M和50歐？

　　用過(guò)示波器的看官都會(huì )發(fā)現，帶寬超過(guò)200M的示波器大多會(huì )有兩種輸入阻抗可供選擇。一種是常見(jiàn)1MΩ，一種就是本文的主角50Ω。這個(gè)50Ω是做什么用的呢，輸入阻抗不應該是越高越好么。接下來(lái)我們將一起來(lái)了解這個(gè)神秘的50Ω。

　　傳輸線(xiàn)

　　就像講歷史，不得不插一段軍事理論課一樣，想把我們的50Ω講明白，那也不得不講一下這個(gè)傳輸線(xiàn)了。眾所周知，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。

　　光在傳輸介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)會(huì )發(fā)生反射，電信號也一樣。反射會(huì )帶來(lái)什么呢，您的信號可能就會(huì )成這樣。

　　圖 1

　　是不是整個(gè)人都不怎么好了。為了不讓反射發(fā)生，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。但是問(wèn)題又來(lái)了，送君千里，終須一別，傳輸線(xiàn)早晚還是要把信號交給信號的負載的。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。還好我們的電信號不像光那么矯情。只要保證她的瞬時(shí)阻抗不變，她也能將就一下不反射回去。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，讓總阻值和特性阻抗相等，這樣信號就不會(huì )有太大的反感，會(huì )屈尊降貴的傳到負載中去而不會(huì )反射回來(lái)，您的電路也就清凈了。這種方法叫做終端匹配。還有一種方法就是源端匹配，即在源端串入一個(gè)電阻，使其與信號源的輸出電阻相加等于傳輸線(xiàn)的特性阻抗，這樣就可以讓反射波的負載與傳輸線(xiàn)阻抗相等，從而吸收反射波，不讓其在傳輸線(xiàn)上撞來(lái)撞去。很多時(shí)候這兩種匹配是同時(shí)用的。

　　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)，但是還沒(méi)有解釋示波器上為什么會(huì )有個(gè)50Ω，是為了防止信號反射么，是的，這確實(shí)是一個(gè)原因，但是除了這點(diǎn)，他還有著(zhù)其他的意義。

　　示波器的負載效應

　　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。示波器在1MΩ阻抗模式下的等效模型比較復雜，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 2

　　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)10M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 3

　　可知原信號為;

　　經(jīng)計算可知，如果Re的值是10Ω，而信號的頻率是200M，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。如果是50Ω呢，100Ω呢，無(wú)疑誤差會(huì )越來(lái)越大。

　　示波器為了使得測量更加準確，是必須在內部加一些補償措施將這些偏差補償回來(lái)的(當然這種補償只是相對于測量結果與原信號而言的，內部補償是無(wú)法減小測量時(shí)信號與原信號之間的差異)。那具體應該按那種情況來(lái)補償呢。前面我們已經(jīng)知道，高速信號中，50Ω系統是使用最廣泛的，所以我們選擇50Ω系統即Re=25Ω的情況下進(jìn)行補償。示波器廠(chǎng)家都會(huì )在這種情況下將信號補償的最好。所以如果您是50Ω系統，示波器測量出的結果影響與原信號最為接近。如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測量的頻率較高，則需要評估測量誤差是否在您允許的范圍內。建議使用10:1探頭進(jìn)行測量，因為其寄生電容要比示波器低，而1:1探頭的負載電容基本上是50pF左右的，其負載效應比示波器本身要嚴重的多。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有源探頭進(jìn)行測量了。

　　試想一下，如果用示波器直接與高頻信號發(fā)生器相連，測量信號發(fā)生器輸出的高頻信號，而高頻信號發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω，那會(huì )發(fā)生什么情況呢。由上文可知，負載相應會(huì )嚴重影響測量結果。再結合傳輸線(xiàn)理論，可知會(huì )有一個(gè)反射波反射回信號源，這對于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時(shí)候需要加入一個(gè)50Ω端接適配器或者使用內部50Ω檔位。這樣既大大減小信號的反射，又可以使得測量出的信號受負載效應影響最小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。

　　示波器測量與50Ω相關(guān)的注意事項

　　結合傳輸線(xiàn)理論和示波器負載效應，說(shuō)幾點(diǎn)在示波器測量中與50Ω有關(guān)的注意事項。當然，測量較低頻率信號時(shí)不需要考慮這些。

　　1、當示波器使用50Ω端接或者內部50Ω檔位時(shí)，只能夠使用50Ω同軸電纜或者一些要求做50Ω匹配的有源探頭。直接測量板載信號時(shí)則只能夠使用有源探頭，同軸電纜僅適用于測量無(wú)負載信號(如信號發(fā)生器)。

　　2、測量高頻信號時(shí)，要注意示波器的負載效應。測量系統最好是50Ω系統，再考慮到傳輸線(xiàn)理論，最好用探頭直接測量負載端而不是中間的PCB。

　　3、在測量信號發(fā)生器輸出波形時(shí)，需要進(jìn)行50Ω端接。否者測量結果將會(huì )受示波器負載效應影響嚴重。

　　番外篇

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