示波器測量值與信號源輸出值形成2倍之問題解答

信號源的輸出電壓讀數(shù)是數(shù)字示波器的2倍？問題出在哪里？

我做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要用信號發(fā)生器發(fā)出信號給示波器觀察，二者的幅值會相差一倍，就是之前你說的阻抗匹配造成的問題，但是跟同事解釋起來，真的極少有人懂我?？赡苁俏依斫獾牟粔蛲笍刂v的不清楚，同事不明白。所以想看看你是怎么闡述的?還有，如果用50歐姆阻抗檔測量高頻信號，是不是意味著實(shí)際信號的大小都應(yīng)該是示波器讀數(shù)的兩倍呢？ 

答：

其實(shí)，有時(shí)候數(shù)字示波器測量的結(jié)果是信號源設(shè)置的電壓讀數(shù)的1/2，不一定是2倍。要回答這個(gè)問題我們需要先了解信號源的電路模型。信號源電路模型由一個(gè)電壓源Vs和內(nèi)阻Rs組成，連接外部負(fù)載RL，組成回路，如圖1所示。其中，信號源內(nèi)阻Rs為50Ω；Vo為信號源加在負(fù)載兩端的電壓。 
 
圖1  信號源電路模型及與外圍電路連接

當(dāng)信號源通過同軸電纜直接連接到示波器時(shí)，如圖2所示，圖1的負(fù)載電阻RL就是示波器的輸入耦合電阻，一般為50Ω和1MΩ，圖1中的 Vo即為示波器觀察到的波形的電壓。其具體數(shù)值大小依據(jù)下面分壓原理的公式獲得；
 
圖2 信號源通過同軸電纜直接連接到數(shù)字示波器
當(dāng)信號源通過同軸電纜連接到被測電路時(shí)，如圖3所示，用普通的無源探頭連接到RL的兩端，這時(shí)示波器兩端的電壓是多少？  對于10:1無源探頭，探頭本身的直流電阻是9 MΩ，示波器設(shè)置為1 MΩ時(shí)的等效電路模型如圖4所示，
圖中的示波器測量到的電壓，在RL遠(yuǎn)小于10MΩ時(shí)接近于RL兩端電壓。
 
圖 3 信號源通過同軸電纜連接到被測電路
 
圖 4 無源探頭接入電路時(shí)的等效電路

問題： 當(dāng)用數(shù)字示波器探頭直接連接到信號源的輸出端，會發(fā)生什么呢？
 
圖5  鼎陽科技SDG2000X信號源設(shè)置菜單 

也許，這是引起人們疑惑之所在：信號源本身的內(nèi)阻是確定的50Ω,信號源的負(fù)載電阻是信號源本身并無法控制的。設(shè)置信號源的負(fù)載電阻應(yīng)該是和實(shí)際的負(fù)載一致，但如果設(shè)置得不一致，就會出現(xiàn)測量的結(jié)果為信號源面板設(shè)置的輸出電壓讀數(shù)值的2倍或1/2。
根本原因是：當(dāng)設(shè)置信號源的負(fù)載電阻為50Ω時(shí)，信號源實(shí)際輸出的電壓Vs為設(shè)置的輸出電壓值的2倍，譬如信號源設(shè)置為輸出1V電壓，實(shí)際上信號源的物理層發(fā)出的電壓Vs是2V。
那么：
1、當(dāng)實(shí)際負(fù)載為50Ω時(shí)：

 1-1

Vo=1/2*Vs；
1.1設(shè)置信號源的負(fù)載電阻也為50Ω，假設(shè)信號源面板上設(shè)置為1V，信號源實(shí)際輸出的電壓Vs為2V，這時(shí)候示波器測量值為1V；
1.2設(shè)置信號源的負(fù)載電阻為HiZ，假設(shè)信號源面板設(shè)置為1V，信號源實(shí)際輸出的電壓Vs也為1V，但是這時(shí)候由于實(shí)際負(fù)載是50Ω，分壓作用導(dǎo)致示波器測量值為0.5V；
2、當(dāng)實(shí)際負(fù)載HiZ為1MΩ時(shí)：

 2-1

2.1  設(shè)置信號源的負(fù)載電阻為50Ω，假設(shè)信號源面板設(shè)置為1V，信號源實(shí)際輸出的電壓Vs為2V，這時(shí)候示波器測量值為2V；
2.2  設(shè)置信號源的負(fù)載電阻為HiZ，假設(shè)信號源面板設(shè)置為1V，信號源實(shí)際輸出的電壓Vs為1V，這時(shí)候示波器測量值為1V。
上面這樣看似很繞的解釋，總結(jié)起來無非要記住兩點(diǎn)：
1，信號源的面板上設(shè)置負(fù)載電阻為50Ω時(shí)，信號源的物理層輸出電壓Vs為面板讀數(shù)電壓的2倍。
2，不要亂設(shè)置信號源的負(fù)載電阻，將其設(shè)置為與真實(shí)的負(fù)載電阻一致，那么測量結(jié)果就和信號源面板上設(shè)置的輸出電壓讀數(shù)一致。