为什么示波器阻抗偏偏是1M和50欧？

1万 · 2015-7-21 09:49

　　用过示波器的看官都会发现，带宽超过200M的示波器大多会有两种输入阻抗可供选择。一种是常见1MΩ，一种就是本文的主角50Ω。这个50Ω是做什么用的呢，输入阻抗不应该是越高越好么。接下来我们将一起来了解这个神秘的50Ω。
　　传输线
　　就像讲历史，不得不插一段军事理论课一样，想把我们的50Ω讲明白，那也不得不讲一下这个传输线了。众所周知，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。
　　光在传输介质发生改变时会发生反射，电信号也一样。反射会带来什么呢，您的信号可能就会成这样。

图 1

　　是不是整个人都不怎么好了。为了不让反射发生，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。但是问题又来了，送君千里，终须一别，传输线早晚还是要把信号交给信号的负载的。信号一旦来到传输线终点，岂不是还是要发生反射么。还好我们的电信号不像光那么矫情。只要保证她的瞬时阻抗不变，她也能将就一下不反射回去。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，让总阻值和特性阻抗相等，这样信号就不会有太大的反感，会屈尊降贵的传到负载中去而不会反射回来，您的电路也就清净了。这种方法叫做终端匹配。还有一种方法就是源端匹配，即在源端串入一个电阻，使其与信号源的输出电阻相加等于传输线的特性阻抗，这样就可以让反射波的负载与传输线阻抗相等，从而吸收反射波，不让其在传输线上撞来撞去。很多时候这两种匹配是同时用的。
　　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，但是还没有解释示波器上为什么会有个50Ω，是为了防止信号反射么，是的，这确实是一个原因，但是除了这点，他还有着其他的意义。

1万 · 2015-7-21 09:49

　　示波器的负载效应
　　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。示波器在1MΩ阻抗模式下的等效模型比较复杂，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 2

　　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10M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 3

　　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200M，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。如果是50Ω呢，100Ω呢，无疑误差会越来越大。
　　示波器为了使得测量更加准确，是必须在内部加一些补偿措施将这些偏差补偿回来的（当然这种补偿只是相对于测量结果与原信号而言的，内部补偿是无法减小测量时信号与原信号之间的差异）。那具体应该按那种情况来补偿呢。前面我们已经知道，高速信号中，50Ω系统是使用最广泛的，所以我们选择50Ω系统即Re=25Ω的情况下进行补偿。示波器厂家都会在这种情况下将信号补偿的最好。所以如果您是50Ω系统，示波器测量出的结果影响与原信号最为接近。如果您的等效输出电阻与25Ω相差很多且需要测量的频率较高，则需要评估测量误差是否在您允许的范围内。建议使用10:1探头进行测量，因为其寄生电容要比示波器低，而1:1探头的负载电容基本上是50pF左右的，其负载效应比示波器本身要严重的多。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有源探头进行测量了。
　　试想一下，如果用示波器直接与高频信号发生器相连，测量信号发生器输出的高频信号，而高频信号发生器的输出电阻都是50Ω，那会发生什么情况呢。由上文可知，负载相应会严重影响测量结果。再结合传输线理论，可知会有一个反射波反射回信号源，这对于一些精密的仪器这可能是致命的。所以这时候需要加入一个50Ω端接适配器或者使用内部50Ω档位。这样既大大减小信号的反射，又可以使得测量出的信号受负载效应影响最小。这就是示波器50Ω阻抗的作用了。

1万 · 2015-7-21 09:50

　　示波器测量与50Ω相关的注意事项
　　结合传输线理论和示波器负载效应，说几点在示波器测量中与50Ω有关的注意事项。当然，测量较低频率信号时不需要考虑这些。
　　1、当示波器使用50Ω端接或者内部50Ω档位时，只能够使用50Ω同轴电缆或者一些要求做50Ω匹配的有源探头。直接测量板载信号时则只能够使用有源探头，同轴电缆仅适用于测量无负载信号（如信号发生器）。
　　2、测量高频信号时，要注意示波器的负载效应。测量系统最好是50Ω系统，再考虑到传输线理论，最好用探头直接测量负载端而不是中间的PCB。
　　3、在测量信号发生器输出波形时，需要进行50Ω端接。否者测量结果将会受示波器负载效应影响严重。