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寻找“薛定谔的猫”!负载效应是如何影响被测信号的?


  来源: ZLG致远仪器 时间:2021-10-11 编辑:清风
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在用示波器测试时为什么要调整探头挡位和示波器终端电阻?50Ω和1MΩ的阻抗匹配有何区别?不同的挡位对信号测试又有何影响?本文带你具体来分析探头的负载效应。


薛定谔的猫,比喻一件事如果你不去做,它就可能有两个结果,而一旦你去做了,最后结果就只有一个,你的参与也直接干预了结果。


使用示波器测试电信号,就像观察薛定谔的猫:一旦被测电路接入探头和示波器进行观测,会对信号本身产生一定程度的影响。想要将测试设备对信号的影响降到最低,就需要深入理解探头的负载效应。


何为探头的负载效应?


简单来说,探头的负载效应就是在用示波器接探头测电路中的其中两点的波形时,在两个测试点中接入了一个负载,而这个负载的大小,会直接影响电路的状态,造成测量结果的不正确性。


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。而为了防止信号发生反射而震荡,探头与示波器电路需要进行阻抗匹配。每个示波器探头也有其输入阻抗,这个阻抗是特性阻抗,不仅仅是电阻,还包含了电容和电感等。由于探头引入的额外负载,所以探头接入被测电路后,也会从信号中汲取能量,实际上就会影响被测电路。因此我们在进行分析测量时必须考虑到探头的负载特性及测试电路的阻抗匹配。


图1 10:1 探头连接到示波器输入阻抗的简化模型


如图1所示为日常最为常见的一类无源探头原理示意图,它由输入阻抗Rprobe、寄生电容Cprobe、传输导线、可调补偿电容Ccomp组成。此类无源探头一般输入阻抗为10MΩ,衰减比因子为10:1。


在使用此类探头时,示波器的输入阻抗会自动设置为高阻1MΩ。此时示波器BNC通道输入点的电压Vscope与探头前端所探测的电压值Vprobe的关系满足以下对应关系:

Vprobe/Vscope = (9MΩ + 1MΩ) / 1MΩ = 10 : 1


示波器的50Ω和1MΩ


在DC和较低频时,示波器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即容性负载效应会更高。


探头在×1档位时,信号直接进入示波器,这类探头在测试点处将其自身的电容(包括电缆的电容)与示波器的输入阻抗连在了一起,这就是探头的负载效应。


图2 x1档结构模型


x1档位输入电容通常为55±10pF,此时等同于在被测电路上加了一个低阻抗负载,在输入电容为50pF时,若测试10MHz的信号,根据容抗计算公式:Xc(Cp) = 1/(2×π×f×C),此时容抗约为318Ω,且x1档时带宽较低,测试出的结果是不准确的。


图3 x10档结构模型


探头在x10档时,输入阻抗为10MΩ,输入电容10pF,输入信号的频率为100MHz,此时,探头输入容抗为Xc(Cp) = 1/(2×π×f×C)=159Ω,此时容抗远远小于探头阻抗,信号电流更多的会通过输入电容提供的低阻回路,而高阻回路等效为旁路。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。


从以上我们可以知道,从电压测量的角度来说,为了减小对被测电路的影响(即减小负载效应),示波器应采用1MΩ的高输入阻抗,但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响。所以 1MΩ的输入阻抗广泛应用于 500M 带宽以下的测量。


而对于更高频率的测量,通常采用传输线,传输线探头具备更低的寄生电容,且具有低输入阻抗的特性,传输线的阻抗为50Ω,故示波器50Ω匹配主要用于高频测量。


图4 50Ω传输线缆图


关键词:示波器 负载效应 被测信号 探头    浏览量:2068

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