2018年01月18日 | 示波器输入阻抗该选1MΩ还是50Ω？

熟悉示波器的朋友可能都会有过这样的困惑：输入阻抗有1MΩ和50Ω两种，我们到底该如何选择呢？

一、传输线

想要讲清楚50Ω的由来，我们需要先讲一下传输线。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。下图是将一个窄脉冲施加到100m左右的终端短路的网线上时，示波器在信号源端测量到的图片。可以在其上明显看出有一个入射波和一个反射波。

图1

当入射波和反射波叠加在一起回发生什么呢，您的方波信号信号可能就会成这样。

图2

二、如何阻止信号反射呢？

就像光要在水面才发生反射一样，电信号也是在其传输介质发生改变的时候才会发生反射，为了避免传输线上发生反射，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。

但是信号一旦来到传输线终点，岂不是还是要发生反射么？

其实只要保证信号的瞬时阻抗不变，同样也不会发生反射。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，让其阻值和特性阻抗相等，这样信号就不会反射回来，而是被电阻吸收。您的电路也就清净了。这种方法叫做终端匹配。

三、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，也是因为如此，示波器上才会有个50Ω阻抗档位。其作用就是用来匹配50Ω系统中的传输线。

四、示波器的负载效应

有朋友可能会有疑惑，按上面的论述，岂不是50Ω的匹配比1MΩ的匹配要好，那还要1MΩ阻抗干什么呢？这就涉及到了示波器的负载效应问题了。

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。示波器本身是有输入阻抗的，用示波器测量的同时，也不得不将这部分阻抗并联到电路中。

先以示波器在1MΩ阻抗模式为例，其大致可以等效成是1MΩ和一个十几pF的电容并联在一起的形式。

图3

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10MHz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4

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200MHz，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。所以如果测量高频信号，建议使用10:1无源探头进行测量，因为其寄生电容要比示波器低，通常只有9pF左右的寄生电容。而1:1无源探头通常会有60pF的寄生电容，不能用于测量高频信号。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高频有源探头进行测量了。

如果使用50Ω阻抗档位进行测量会如何呢？

以Re是25Ω为例，信号将从直流开始就被衰减，而且衰减超过-3dB。这时信号就已经被判定为失真了。所以示波器进行50Ω匹配后就不能继续以一个旁观者的身份对系统进行测试了。当被测源是一个无载信号源（比如信号发生器），这个信号本身并没有终端匹配电阻，如果我们采用1MΩ阻抗或者探头进行测量，就会在传输线终端产生反射，从而干扰到测量信号，而这时就需要采用50Ω阻抗档位，示波器内部的50Ω电阻可以吸收掉传输线的信号，让反射波降到最小，从而对信号进行准确测量。测试示意图如下图所示。

图5

五、示波器测量与50Ω相关的注意事项

1MΩ阻抗和50Ω阻抗档位的设计出发点是不同的，1MΩ档位的出发点是为了让示波器拥有较小的负载效应，可以“安安静静的”做个旁观者。而50Ω档位则是为了消除传输线上的信号反射，将传输线影响降到最低。选择何种阻抗档位，需要根据实际测量情况而定：

1、当被测信号是一个无负载信号（如信号发生器），且采用50Ω特性阻抗同轴电缆与示波器相连接时，则需要使用50Ω阻抗档位。

2、当被测信号是一个板载信号，有自己完整的终端接收系统时，则需要使用1MΩ阻抗档位直接测量或者使用探头测量。

3、配合探头测量时，需要注意无源探头都需要使用1MΩ阻抗档位，有源探头则需要根据探头要求进行匹配，一般来说高频探头要求50Ω阻抗档位，低频探头要求1MΩ阻抗档位。

4、使用无源探头时需要注意，1:1探头通常只有6MHz的带宽。想要更高频率，需要选用带衰减的无源探头。