示波器的負載效應(yīng)
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。這就是負載效應(yīng)引起的。示波器在1MΩ阻抗模式下的等效模型比較復雜，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 1
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起到主導地位。而當頻率超過10M以后，電容會成為主要的負載。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載。就按上圖的例子來說。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?
圖 2
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)計算可知，如果Re的值是10Ω，而信號的頻率是200M，則示波器的負載效應(yīng)會造成-0.2db左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個偏差會達到-1db。如果是50Ω呢，100Ω呢，無疑誤差會越來越大。
示波器為了使得測量更加準確，是必須在內(nèi)部加一些補償措施將這些偏差補償回來的（當然這種補償只是相對于測量結(jié)果與原信號而言的，內(nèi)部補償是無法減小測量時信號與原信號之間的差異）。那具體應(yīng)該按那種情況來補償呢。前面我們已經(jīng)知道，高速信號中，50Ω系統(tǒng)是使用Z廣泛的，所以我們選擇50Ω系統(tǒng)即Re=25Ω的情況下進行補償。示波器廠家都會在這種情況下將信號補償?shù)腪好。所以如果您是50Ω系統(tǒng)，示波器測量出的結(jié)果影響與原信號Z為接近。如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測量的頻率較高，則需要評估測量誤差是否在您允許的范圍內(nèi)。建議使用10:1探頭進行測量，因為其寄生電容要比示波器低，而1:1探頭的負載電容基本上是50pF左右的，其負載效應(yīng)比示波器本身要嚴重的多。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有源探頭進行測量了。
試想一下，如果用示波器直接與高頻信號發(fā)生器相連，測量信號發(fā)生器輸出的高頻信號，而高頻信號發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω，那會發(fā)生什么情況呢。由上文可知，負載相應(yīng)會嚴重影響測量結(jié)果。再結(jié)合傳輸線理論，可知會有一個反射波反射回信號源，這對于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時候需要加入一個50Ω端接適配器或者使用內(nèi)部50Ω檔位。這樣既大大減小信號的反射，又可以使得測量出的信號受負載效應(yīng)影響Z小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。