示波器的負(fù)載效應(yīng)
相信大家都有這種經(jīng)歷，調(diào)試一個(gè)有問(wèn)題的電路，想看看波形，結(jié)果接上探頭電路就正常了，拿開(kāi)探頭電路就又出問(wèn)題。這就是負(fù)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(fù)雜，大致可以等效成是1MΩ和一個(gè)十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。
圖 1
這個(gè)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(shí)，1MΩ起到主導(dǎo)地位。而當(dāng)頻率超過(guò)10M以后，電容會(huì)成為主要的負(fù)載。由于這兩個(gè)參數(shù)的引入，就會(huì)使得測(cè)量時(shí)的信號(hào)與原信號(hào)有差異，從而使測(cè)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(cè)電路的輸出電阻和負(fù)載。就按上圖的例子來(lái)說(shuō)。根據(jù)戴維寧定理，可變?yōu)椋?
圖 2
可知原信號(hào)為； ；低頻信號(hào)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(shí)，則需要再加上Re與16pF容抗的分壓。
經(jīng)計(jì)算可知，如果Re的值是10Ω，而信號(hào)的頻率是200M，則示波器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)造成-0.2db左右的偏差。而如果您系統(tǒng)的Re是25Ω，那么這個(gè)偏差會(huì)達(dá)到-1db。如果是50Ω呢，100Ω呢，無(wú)疑誤差會(huì)越來(lái)越大。
示波器為了使得測(cè)量更加準(zhǔn)確，是必須在內(nèi)部加一些補(bǔ)償措施將這些偏差補(bǔ)償回來(lái)的（當(dāng)然這種補(bǔ)償只是相對(duì)于測(cè)量結(jié)果與原信號(hào)而言的，內(nèi)部補(bǔ)償是無(wú)法減小測(cè)量時(shí)信號(hào)與原信號(hào)之間的差異）。那具體應(yīng)該按那種情況來(lái)補(bǔ)償呢。前面我們已經(jīng)知道，高速信號(hào)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(jìn)行補(bǔ)償。示波器廠家都會(huì)在這種情況下將信號(hào)補(bǔ)償?shù)腪好。所以如果您是50Ω系統(tǒng)，示波器測(cè)量出的結(jié)果影響與原信號(hào)Z為接近。如果您的等效輸出電阻與25Ω相差很多且需要測(cè)量的頻率較高，則需要評(píng)估測(cè)量誤差是否在您允許的范圍內(nèi)。建議使用10:1探頭進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槠浼纳娙菀仁静ㄆ鞯停?:1探頭的負(fù)載電容基本上是50pF左右的，其負(fù)載效應(yīng)比示波器本身要嚴(yán)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(jìn)行測(cè)量了。
試想一下，如果用示波器直接與高頻信號(hào)發(fā)生器相連，測(cè)量信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻信號(hào)，而高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出電阻都是50Ω，那會(huì)發(fā)生什么情況呢。由上文可知，負(fù)載相應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。再結(jié)合傳輸線理論，可知會(huì)有一個(gè)反射波反射回信號(hào)源，這對(duì)于一些精密的儀器這可能是致命的。所以這時(shí)候需要加入一個(gè)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(hào)的反射，又可以使得測(cè)量出的信號(hào)受負(fù)載效應(yīng)影響Z小。這就是示波器50Ω阻抗的作用了。
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