示波器輸入阻抗選1MΩ還是50Ω的詳細解析

熟悉示波器的朋友可能都會有過這樣的困惑：輸入阻抗有1MΩ和50Ω兩種，我們到底該如何選擇呢？

一、傳輸線

想要講清楚50Ω的由來，我們需要先講一下傳輸線。電信號實際上是以電磁波的形式在傳輸線中傳播的。當傳輸線的尺寸不再遠小於電磁波波長時，就不得不考慮這個「波」的特性了。下圖是將一個窄脈衝施加到100m左右的終端短路的網線上時，示波器在信號源端測量到的圖片。可以在其上明顯看出有一個入射波和一個反射波。

當入射波和反射波疊加在一起回發生什麼呢，你的方波信號信號可能就會成這樣。

如何阻止信號反射呢？

就像光要在水面才發生反射一樣，電信號也是在其傳輸介質發生改變的時候才會發生反射，為了避免傳輸線上發生反射，就出現了均勻傳輸線，如PCB微帶線，同軸線等，他們介質均勻，任何一點橫截面幾何結構相同，這樣就可以保證電信號不會在傳輸線內發生反射了。

但是信號一旦來到傳輸線終點，豈不是還是要發生反射麼？

其實只要保證信號的瞬時阻抗不變，同樣也不會發生反射。瞬時阻抗就是電信號在傳輸線上某一點所受的阻抗，經過研究發現均勻傳輸線的瞬時阻抗是個純阻性的，與頻率無關，就像個電阻，而且瞬時阻抗只與傳輸線的幾何結構和填充材料有關，所以又叫做特性阻抗。既然瞬時阻抗像電阻，那我們就給負載並聯一個電阻，讓其阻值和特性阻抗相等，這樣信號就不會反射回來，而是被電阻吸收。您的電路也就清淨了。這種方法叫做終端匹配。

二、著名的50Ω

特性阻抗大小會影響信號傳輸功率、傳輸損耗、串擾等電氣性能，而其板材和幾何結構又影響製造成本，這種情況只能找一個折中值。而50Ω正是同軸線的傳輸功率、傳輸損耗以及製造成本的一個最佳平衡點。所以大多數高速信號都會採用50Ω特性阻抗系統，形成標準並沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標準。比如常見的PCIE，其單端阻抗就是要求是50Ω。

這就是這個50Ω的由來，也是因為如此，示波器上才會有個50Ω阻抗檔位。其作用就是用來匹配50Ω系統中的傳輸線。

三、示波器的負載效應

有朋友可能會有疑惑，按上面的論述，豈不是50Ω的匹配比1MΩ的匹配要好，那還要1MΩ阻抗幹什麼呢？這就涉及到了示波器的負載效應問題了。

相信大家都有這種經歷，調試一個有問題的電路，想看看波形，結果接上探頭電路就正常了，拿開探頭電路就又出問題。這就是負載效應引起的。示波器本身是有輸入阻抗的，用示波器測量的同時，也不得不將這部分阻抗並聯到電路中。

先以示波器在1MΩ阻抗模式為例，其大致可以等效成是1MΩ和一個十幾pF的電容並聯在一起的形式。

這個1MΩ是示波器的規範。而電容是我們並不想要但是又不可避免的寄生參數。在DC和較低頻時，1MΩ起到主導地位。而當頻率超過10MHz以後，電容會成為主要的負載。由於這兩個參數的引入，就會使得測量時的信號與原信號有差異，從而使測量結果出現誤差。那麼差異有多大呢，這也要取決於您的被測電路的輸出電阻和負載。就按上圖的例子來說。根據戴維寧定理，可變為：

從示意圖上可以看出，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。

經計算可知，如果Re的值是10Ω，而信號的頻率是200MHz，則示波器的負載效應會造成-0.2dB左右的偏差。而如果您系統的Re是25Ω，那麼這個偏差會達到-1dB。所以如果測量高頻信號，建議使用10:1無源探頭進行測量，因為其寄生電容要比示波器低，通常只有9pF左右的寄生電容。而1:1無源探頭通常會有60pF的寄生電容，不能用於測量高頻信號。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高頻有源探頭進行測量了。

如果使用50Ω阻抗檔位進行測量會如何呢？

以Re是25Ω為例，信號將從直流開始就被衰減，而且衰減超過-3dB。這時信號就已經被判定為失真了。所以示波器進行50Ω匹配後就不能繼續以一個旁觀者的身份對系統進行測試了。當被測源是一個無載信號源（比如信號發生器），這個信號本身並沒有終端匹配電阻，如果我們採用1MΩ阻抗或者探頭進行測量，就會在傳輸線終端產生反射，從而幹擾到測量信號，而這時就需要採用50Ω阻抗檔位，示波器內部的50Ω電阻可以吸收掉傳輸線的信號，讓反射波降到最小，從而對信號進行準確測量。測試示意圖如下圖所示。

四、示波器測量與50Ω相關的注意事項

1MΩ阻抗和50Ω阻抗檔位的設計出發點是不同的，1MΩ檔位的出發點是為了讓示波器擁有較小的負載效應，可以「安安靜靜的」做個旁觀者。而50Ω檔位則是為了消除傳輸線上的信號反射，將傳輸線影響降到最低。選擇何種阻抗檔位，需要根據實際測量情況而定：

1、當被測信號是一個無負載信號（如信號發生器），且採用50Ω特性阻抗同軸電纜與示波器相連接時，則需要使用50Ω阻抗檔位。

2、當被測信號是一個板載信號，有自己完整的終端接收系統時，則需要使用1MΩ阻抗檔位直接測量或者使用探頭測量。

3、配合探頭測量時，需要注意無源探頭都需要使用1MΩ阻抗檔位，有源探頭則需要根據探頭要求進行匹配，一般來說高頻探頭要求50Ω阻抗檔位，低頻探頭要求1MΩ阻抗檔位。

4、使用無源探頭時需要注意，1:1探頭通常只有6MHz的帶寬。想要更高頻率，需要選用帶衰減的無源探頭。

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