在用示波器測(cè)試時(shí)為什么要調(diào)整探頭擋位和示波器終端電阻？50Ω和1MΩ的阻抗匹配有何區(qū)別？不同的擋位對(duì)信號(hào)測(cè)試又有何影響？本文帶你具體來(lái)分析探頭的負(fù)載效應(yīng)。
薛定諤的貓，比喻一件事如果你不去做，它就可能有兩個(gè)結(jié)果，而一旦你去做了，最后結(jié)果就只有一個(gè)，你的參與也直接干預(yù)了結(jié)果。
使用示波器測(cè)試電信號(hào)，就像觀察薛定諤的貓：一旦被測(cè)電路接入探頭和示波器進(jìn)行觀測(cè)，會(huì)對(duì)信號(hào)本身產(chǎn)生一定程度的影響。想要將測(cè)試設(shè)備對(duì)信號(hào)的影響降到最低，就需要深入理解探頭的負(fù)載效應(yīng)。
何為探頭的負(fù)載效應(yīng)？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，探頭的負(fù)載效應(yīng)就是在用示波器接探頭測(cè)電路中的其中兩點(diǎn)的波形時(shí)，在兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)中接入了一個(gè)負(fù)載，而這個(gè)負(fù)載的大小，會(huì)直接影響電路的狀態(tài)，造成測(cè)量結(jié)果的不正確性。
示波器本身是有輸入阻抗的，用示波器測(cè)量的同時(shí)，也不得不將這部分阻抗并聯(lián)到電路中。而為了防止信號(hào)發(fā)生反射而震蕩，探頭與示波器電路需要進(jìn)行阻抗匹配。每個(gè)示波器探頭也有其輸入阻抗，這個(gè)阻抗是特性阻抗，不僅僅是電阻，還包含了電容和電感等。由于探頭引入的額外負(fù)載，所以探頭接入被測(cè)電路后，也會(huì)從信號(hào)中汲取能量，實(shí)際上就會(huì)影響被測(cè)電路。因此我們?cè)谶M(jìn)行分析測(cè)量時(shí)必須考慮到探頭的負(fù)載特性及測(cè)試電路的阻抗匹配。
圖1 10:1 探頭連接到示波器輸入阻抗的簡(jiǎn)化模型
如圖1所示為日常最為常見(jiàn)的一類(lèi)無(wú)源探頭原理示意圖，它由輸入阻抗Rprobe、寄生電容Cprobe、傳輸導(dǎo)線(xiàn)、可調(diào)補(bǔ)償電容Ccomp組成。此類(lèi)無(wú)源探頭一般輸入阻抗為10M?，衰減比因子為10：1。
在使用此類(lèi)探頭時(shí)，示波器的輸入阻抗會(huì)自動(dòng)設(shè)置為高阻1M?。此時(shí)示波器BNC通道輸入點(diǎn)的電壓Vscope與探頭前端所探測(cè)的電壓值Vprobe的關(guān)系滿(mǎn)足以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：
Vprobe/Vscope = (9M? + 1M?) / 1M? = 10 : 1
示波器的50Ω和1MΩ
在DC和較低頻時(shí)，示波器1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過(guò)10MHz以后，電容會(huì)成為主要的負(fù)載即容性負(fù)載效應(yīng)會(huì)更高。
探頭在×1檔位時(shí)，信號(hào)直接進(jìn)入示波器，這類(lèi)探頭在測(cè)試點(diǎn)處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，這就是探頭的負(fù)載效應(yīng)。
圖2 x1檔結(jié)構(gòu)模型
x1檔位輸入電容通常為55±10pF，此時(shí)等同于在被測(cè)電路上加了一個(gè)低阻抗負(fù)載，在輸入電容為50pF時(shí)，若測(cè)試10MHz的信號(hào)，根據(jù)容抗計(jì)算公式：Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C），此時(shí)容抗約為318Ω，且x1檔時(shí)帶寬較低，測(cè)試出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。
圖3 x10檔結(jié)構(gòu)模型
探頭在x10檔時(shí)，輸入阻抗為10MΩ，輸入電容10pF，輸入信號(hào)的頻率為100MHz，此時(shí)，探頭輸入容抗為Xc(Cp) = 1/（2×π×f×C）=159Ω，此時(shí)容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探頭阻抗，信號(hào)電流更多的會(huì)通過(guò)輸入電容提供的低阻回路，而高阻回路等效為旁路。所以如果測(cè)量高頻信號(hào)，建議使用10:1無(wú)源探頭進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠浼纳娙菀仁静ㄆ鞯汀?
從以上我們可以知道，從電壓測(cè)量的角度來(lái)說(shuō)，為了減小對(duì)被測(cè)電路的影響（即減小負(fù)載效應(yīng)），示波器應(yīng)采用1MΩ的高輸入阻抗，但是由于高阻抗電路的帶寬很容易受到寄生電容的影響。所以 1MΩ的輸入阻抗廣泛應(yīng)用于 500M 帶寬以下的測(cè)量。
而對(duì)于更高頻率的測(cè)量，通常采用傳輸線(xiàn)，傳輸線(xiàn)探頭具備更低的寄生電容，且具有低輸入阻抗的特性，傳輸線(xiàn)的阻抗為50Ω，故示波器50Ω匹配主要用于高頻測(cè)量。
圖4 50Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)纜圖
