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示波器的阻抗选择
10:38:44来源: eefocus 关键字：&&
今天在做一个SSR的实验时，给SSR的控制端一个方波，用观察其输出端信号，理应是一个很好的方波。但是当示波器选用1M&O的时，示波器屏幕上显示的波形很奇怪，把示波器的输入阻抗切换到50&O时，观察的波形就是一个很好的方波。
在这里就有点奇怪了，示波器采集电压信号时，不应该是输入阻抗越大越好吗。查了些资料，也不是彻底懂，在这里贴出来。
在电源噪声测试中,还存在示波器通道输入的争议.示波器的通道有&
DC50/DC1M/AC1M 三个选项可选(对于高端示波器,可能只有 DC50 一个选项).一些工程师认为应该使用 1M欧的输入阻抗,另一些认为 50 欧的输入阻抗更合适. 在测试中我们发现:如果使用 1 倍衰减的探头测试,当示波器通道输入为 1M 欧时,通常其测量出的电源噪声大于 50 欧输入阻抗的.原因是:噪声从同轴电缆传输到示波器通道后,当示波器输入阻抗是 50 欧时,同轴电缆的特性阻抗 50 欧与通道的完全匹配,没有反射;而通道输入阻抗为 1M欧时,相当于是高阻,根据传输线理论,电源噪声发生反射,这样,导致 1M 欧输入阻抗是测试的电源噪声高于 50 欧的.所以,测量小电源噪声推荐使用 50 欧的输入阻抗.
探头的是指探头与示波器电路的阻抗匹配,主要是电容效应,当阻抗不匹配里,信号会在探头与示波器的接口上产生反射,从而产生振荡.越是高频波形,表现的越明显&
示波器上有一个校准方波波形输出的信号点,把探头接在上面,把方波调平一般我们就认为探头阻抗匹配好了.当然,其它这样匹配并不完全的.但对一般,无源探头也就最大带宽5~6百兆这样也够了.当有源探头时,一般都是用50欧的,这样阻抗匹配问题就很好办了.&
在理想情况下,对被测仪器进行测试时不应影响它的正常工作,测量值也应和未接测试仪器时相同.当连接仪器进行测量时,要考虑阻抗对测量准确性的影响,为了保证仪器之间能够传送最大的功率,阻抗应该匹配.如果阻抗为纯电阻,应使输入阻抗与输出阻抗的值相等.如果阻抗包含电抗成分应使负载的输入阻抗与源的输出阻抗共轭匹配,这时能够传送.&
阻抗匹配的阻抗值通常和使用的传输线的特性阻抗值一致.对于射频系统,一般采用50&O阻抗.对于高阻抗仪器,由于等效并联电容的存在,随着频率升高,并联组合阻抗逐渐变小,将对被测电路形式负载.如1M&O输入阻抗,在频率达到100MHz时,等效阻抗只有100&O左右.因此,高带宽的示波器一般都采用50&O输入阻抗,这样可以保证示波器与源端的匹配.但是使用50&O输入阻抗时,必须考虑到50&O输入阻抗的负载效应比较明显,此时最好使用低电容的有源探头
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\right) ^{2} \bullet R=\frac{U^{2} \bullet R}{R^{2} +r^{2}+2\bullet R\bullet r} =\frac{U^{2} \bullet R}{R^{2} +r^{2}-2\bullet R\bullet r+4\bullet R\bullet r} & eeimg=&1&&&br&&/p&&p&&img src=&/equation?tex=%3D%5Cfrac%7BU%5E%7B2%7D+%7D%7B%5Cfrac%7B%7B%28R-r%29%7D%5E%7B2%7D+%7D%7BR%7D%2B4%5Cbullet+R%5Cbullet+r+%7D+& alt=&=\frac{U^{2} }{\frac{{(R-r)}^{2} }{R}+4\bullet R\bullet r } & eeimg=&1&&，&/p&&p&所以，此时当R=r时，&img src=&/equation?tex=P_%7Br%7D+& alt=&P_{r} & eeimg=&1&&分母最小，&img src=&/equation?tex=P_%7Br%7D+& alt=&P_{r} & eeimg=&1&&最大。这时，示波器的采样结果误差是最小的。&/p&&p&对于被测量回路来说，示波器内部虽然有阻抗干扰信号强度，但是示波器内部会对测量的信号进行补偿和还原，所以对于信号保真度，示波器还是能够保证的。也恰恰是这个原因，示波器内部阻抗的选择一定要和信号系统匹配。&/p&&p&如果不匹配呢？&/p&&p&假如信号系统是50欧姆特性阻抗系统，但是示波器选择的是1M欧姆阻抗，根据前文公式，在测量时，示波器内部阻抗分担的电压更多，所以测量结果其实是比真实的结果偏大。&/p&&p&所以，示波器使用50欧姆阻抗时，是为了与信号系统匹配，保证测量结果的真实性。&/p&&p&好了，示波器我们了解了，那么对于信号系统，怎样设计成50欧姆特性阻抗系统呢？&/p&&p&未完待续~&/p&
顺接第一回，50欧姆阻抗系统作为标准，推广开来，而示波器的厂家也会按照这个标准进行示波器的补偿和调校，保证信号的真实性。但是，为什么示波器要使用这个50欧姆电阻呢？回答这个问题之前，我们首先要明白，示波器的等效电阻在回路中是怎样存在的。是串联…
&img src=&/50/v2-46b4df9ae7dfa6e0d26dadf_b.jpg& data-rawwidth=&480& data-rawheight=&311& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&480& data-original=&/50/v2-46b4df9ae7dfa6e0d26dadf_r.jpg&&&p&首先思考这样一个问题，下面这个测量实验中，示波器的测量结果是多少？&/p&&p&是和信号源一样的5V吗？&/p&&img src=&/v2-750dd88d9f233_b.png& data-rawwidth=&555& data-rawheight=&356& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&555& data-original=&/v2-750dd88d9f233_r.png&&&p&先别着急回答，假如里面的信号源和示波器不是理想型 ，而是和现实中一样带有内部阻抗的元件，见下图，在这个回路中，示波器测量的电压还会是5V吗？&/p&&p&&img src=&/v2-ee8f5a01d20_b.png& data-rawwidth=&498& data-rawheight=&291& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&498& data-original=&/v2-ee8f5a01d20_r.png&&当然还是啊，0.5欧与1兆欧相比太小了。那下面呢？&br&&img src=&/v2-99f34c9efe9e1f7b434b23b_b.png& data-rawwidth=&512& data-rawheight=&289& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&512& data-original=&/v2-99f34c9efe9e1f7b434b23b_r.png&&信号源的5V电压，分别分给了r2和R3两个电阻，压降分别为2.5V，示波器的数值就是2.5V，而不是最开始的5V了。&/p&&p&由此可见，现实中，示波器和信号源都不是理想型，示波器的内部阻抗会分掉一部分信号源的压降，细想竟然有点可怕，我们平时使用示波器的时候，测量出来的波形，到底是不是实际的波形呢？究竟和实际波形相差多少呢？&/p&&p&首先来看一下示波器的等效模型，相当于一个1M欧和一个20pF电容的并联，其中1M欧是示波器的规范，对于一些低级示波器（测量频率小于20MHz）来说，内部电阻一般为1M欧，而相对高级的示波器（测量频率在20MHz以上）来说，内部电阻一般为1M欧/75欧姆/50欧姆可调。&/p&&p&&img src=&/v2-be8e11b537b9a_b.png& data-rawwidth=&541& data-rawheight=&264& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&541& data-original=&/v2-be8e11b537b9a_r.png&&电路等效模型如下：&/p&&p&&img src=&/v2-fa00c8ef8507a2adb0dfb5b_b.png& data-rawwidth=&625& data-rawheight=&248& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&625& data-original=&/v2-fa00c8ef8507a2adb0dfb5b_r.png&&根据戴维南定理，回路再次等效为：&/p&&p&&img src=&/v2-b812fbc86ed_b.png& data-rawwidth=&628& data-rawheight=&241& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&628& data-original=&/v2-b812fbc86ed_r.png&&其中Re电阻为Rs与Rl的并联，所以Re的阻值小于Rs与Rl的较小值，而Rs本来就很小，所以回路中，低频时，R2的分压占绝大部分，而高频时，需要将20pF的电容考虑进去。参考文章开头例子，Re与1M欧的大小关系对实验结果影响很大。&/p&&p&既然示波器分掉了信号源的一部分电压，为了测量结果准确，必须在内部对测量结果进行补偿，但是信号源内阻千千万，那我们应该在以什么为基准进行补偿呢？&/p&&p&&b&--哪里都有的50欧--&/b&&/p&&p&高频电信号在传输时可以看做电磁波的形式，而在实际电路中，电磁波会根据实际情况的不同产生不同大小的反射，进而产生不需要的杂波，影响正常信号。所以，出现了同轴线等方法来避免信号传输中的反射的问题。&/p&&p&但是，信号传输到负载时，还是会发生反射。这样怎么办呢？&/p&&p&&b&阻抗匹配。&/b&&/p&&p&特性阻抗的不同大小会影响信号的传输功率、损耗、信号串扰等问题，同时考虑到制造成本，所以综合各种因素，选择了一个最佳的平衡点：50欧姆。所以很多高频信号传输都会采用50欧姆特性阻抗系统，以至于一度成为一种最广泛的阻抗标准。&/p&&p&这就是50欧姆的由来。&/p&&p&所以，50欧姆阻抗系统作为标准，推广开来，而示波器的厂家也会按照这个标准进行示波器的补偿和调校，保证信号的真实性。&/p&&p&但是，为什么示波器要使用这个50欧姆电阻呢？&br&&/p&&br&&br&&p&未完待续~&/p&
首先思考这样一个问题，下面这个测量实验中，示波器的测量结果是多少？是和信号源一样的5V吗？先别着急回答，假如里面的信号源和示波器不是理想型 ，而是和现实中一样带有内部阻抗的元件，见下图，在这个回路中，示波器测量的电压还会是5V吗？当然还是啊，0…
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示波器的阻抗选择
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示波器阻抗匹配及探头选择问题研究
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