示波器輸入阻抗1MΩ還是50Ω該如何選擇？

熟悉示波器的朋友可能都會有過這樣的困惑：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，我們需要先講一下傳輸線。電信號實(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)小于電磁波波長時，就不得不考慮這個“波”的特性了。下圖是將一個窄脈沖施加到100m左右的終端短路的網(wǎng)線上時，示波器在信號源端測量到的圖片。可以在其上明顯看出有一個入射波和一個反射波。

圖1

當(dāng)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)生改變的時候才會發(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不會在傳輸線內(nèi)發(fā)生反射了。

但是信號一旦來到傳輸線終點(diǎn)，豈不是還是要發(fā)生反射么？

其實(shí)只要保證信號的瞬時阻抗不變，同樣也不會發(fā)生反射。瞬時阻抗就是電信號在傳輸線上某一點(diǎn)所受的阻抗，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)均勻傳輸線的瞬時阻抗是個純阻性的，與頻率無關(guān)，就像個電阻，而且瞬時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。既然瞬時阻抗像電阻，那我們就給負(fù)載并聯(lián)一個電阻，讓其阻值和特性阻抗相等，這樣信號就不會反射回來，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、著名的50Ω

特性阻抗大小會影響信號傳輸功率、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最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號都會采用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50Ω的由來，也是因?yàn)槿绱耍静ㄆ魃喜艜袀€50Ω阻抗檔位。其作用就是用來匹配50Ω系統(tǒng)中的傳輸線。

四、示波器的負(fù)載效應(yīng)

有朋友可能會有疑惑，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)問題了。

相信大家都有這種經(jīng)歷，調(diào)試一個有問題的電路，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，用示波器測量的同時，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和一個十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。

圖3

這個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，1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過10MHz以后，電容會成為主要的負(fù)載。由于這兩個參數(shù)的引入，就會使得測量時的信號與原信號有差異，從而使測量結(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電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來說。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?br/>

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，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，而信號的頻率是200MHz，則示波器的負(fù)載效應(yīng)會造成-0.2dB左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個偏差會達(dá)到-1dB。所以如果測量高頻信號，建議使用10:1無源探頭進(jìn)行測量，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無源探頭通常會有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)行測量會如何呢？

以Re是25Ω為例，信號將從直流開始就被衰減，而且衰減超過-3dB。這時信號就已經(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(xù)以一個旁觀者的身份對系統(tǒng)進(jìn)行測試了。當(dāng)被測源是一個無載信號源（比如信號發(fā)生器），這個信號本身并沒有終端匹配電阻，如果我們采用1MΩ阻抗或者探頭進(jìn)行測量，就會在傳輸線終端產(chǎn)生反射，從而干擾到測量信號，而這時就需要采用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，讓反射波降到最小，從而對信號進(jìn)行準(zhǔn)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(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”做個旁觀者。而50Ω檔位則是為了消除傳輸線上的信號反射，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)際測量情況而定：

1、當(dāng)被測信號是一個無負(fù)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，則需要使用50Ω阻抗檔位。

2、當(dāng)被測信號是一個板載信號，有自己完整的終端接收系統(tǒng)時，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，需要注意無源探頭都需要使用1MΩ阻抗檔位，有源探頭則需要根據(jù)探頭要求進(jìn)行匹配，一般來說高頻探頭要求50Ω阻抗檔位，低頻探頭要求1MΩ阻抗檔位。

4、使用無源探頭時需要注意，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源探頭。