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如何选择示波器耦合输入阻抗(50Ω-1M?)

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【摘要】:
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?

 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?

示波器测量与50Ω相关的注意事项

示波器接入后等效电路

    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。

当示波器同时提供50欧姆输入和1兆欧姆输入时,如何选择合适的输入耦合关系到测量结果的准确,以下是我们对于示波器耦合输入选择的建议:

 

当使用10X探头时,选择1M欧姆输入

 

当示波器与10x探头一起使用时,唯一的选择是1兆欧输入,没有其他的选择。

如果待测信号带宽低于200 MHz,则10x探头是非常合适的适通用探头。10x探头的缺点是:由于将信号衰减10倍,因此信噪比降低20 dB。

对于12位高分辨率示波器,输入噪声峰峰值约为1 mV。10x探头能够提供的最高垂直灵敏度为10 mV/div,如果想测量小于100 mV的低电平信号,则10x探头将限制示波器的垂直灵敏度。在这种情况下,请考虑使用直接连接或有源探头。

 

使用线缆直接连接测试低电压信号时,选择1M欧姆

 

如果是测量非常低电平的信号,请选择直接线缆连接到示波器,并选择1M欧姆输入。这样可以利用示波器放大器的全部灵敏度,选择1M欧姆输入,能够测量高达50 V的电压,并具有较大的动态范围偏移和交流耦合。

使用直接线缆连接并选择1M欧姆输入的不利之处在于,可能会引入反射误差(如下图所示)。

当信号遇到瞬时阻抗变化时,总是会发生反射,如果信号源的上升时间大于线缆延迟的4倍,则在信号的上升沿或下降沿会忽略掉反射,反射误差可以忽略不计。

如果信号上升时间很大或线缆较短,则不必担心反射问题。在示波器上使用1兆欧的输入阻抗就可以了,能够查看更高电压信号,具有更大的DC偏置并可使用AC耦合。

对于长上升时间或低带宽信号,首选设置为1兆欧姆输入,带宽有多低?如果典型的电缆长度为1米,则电缆的时间延迟约为5纳秒。这意味着对于上升时间大于4 x 5 ns = 20 ns的信号,1兆欧姆的输入是可以的。这是大约0.35 / 20nsec = 17 MHz的信号带宽。如果信号的带宽低于20 MHz,可以使用1兆欧姆的输入。

 

使用50欧姆电缆时,请使用50欧姆来消除反射

 

示波器具有50欧姆输入选项的真正原因是为了减少使用50欧姆特性阻抗线缆(例如RG58或RG174电缆)连接到示波器的信号的反射。

 

如果使用50欧姆的电缆,则信号在传播到示波器时,会看到50欧姆的瞬时阻抗。当它进入示波器时,如果我们可以使瞬时阻抗保持恒定,则不会有反射,并且会在示波器中看到由信号源发射到电缆中的实际电压。
我们特别在示波器上增加50欧姆输入选项,是因为假设客户会使用50 欧姆线缆。这意味着,对于高带宽的信号,可以最高到示波器的额定带宽,请使用50欧姆的输入阻抗设置。这将提供最高带宽和最低噪声的测量。

 

选择50欧姆输入时,注意防止过压损坏

 

但是,如果输入的DC或RMS电压接近或高于5 V,请勿在示波器上使用50 ohm输入!

 

示波器内部放大器前面是一个50欧姆的电阻,该电阻的功耗仅为0.5瓦。如果电阻功耗超过0.5瓦,则会发热过多。在极端情况下,电阻器可能会热损坏,或者会从板上掉下来。
0.5瓦的功耗限制对应于5 Vrms的输入信号, 例如,这意味着5 V的DC电平或占空比为50%的10 V峰峰值信号。如果需要探测高于5 V的电压(尤其是电源轨),请考虑使用诸如RP4030之类的电源信号完整性探头,该探头设计用于高达30 Vdc的电源轨测量。

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