信号源的输出电压读数是数字示波器的2倍?问题出在哪里?
我做实验时需要用信号发生器发出信号给示波器观察,二者的幅值会相差一倍,就是之前你说的阻抗匹配造成的问题,但是跟同事解释起来,真的极少有人懂我。可能是我理解的不够透彻讲的不清楚,同事不明白。所以想看看你是怎么阐述的?还有,如果用50欧姆阻抗档测量高频信号,是不是意味着实际信号的大小都应该是示波器读数的两倍呢?
答:
其实,有时候数字示波器测量的结果是信号源设置的电压读数的1/2,不一定是2倍。要回答这个问题我们需要先了解信号源的电路模型。信号源电路模型由一个电压源Vs和内阻Rs组成,连接外部负载RL,组成回路,如图1所示。其中,信号源内阻Rs为50Ω;Vo为信号源加在负载两端的电压。
图1 信号源电路模型及与外围电路连接
当信号源通过同轴电缆直接连接到示波器时,如图2所示,图1的负载电阻RL就是示波器的输入耦合电阻,一般为50Ω和1MΩ,图1中的 Vo即为示波器观察到的波形的电压。其具体数值大小依据下面分压原理的公式获得;
图2 信号源通过同轴电缆直接连接到数字示波器
当信号源通过同轴电缆连接到被测电路时,如图3所示,用普通的无源探头连接到RL的两端,这时示波器两端的电压是多少? 对于10:1无源探头,探头本身的直流电阻是9 MΩ,示波器设置为1 MΩ时的等效电路模型如图4所示,
图中的示波器测量到的电压,在RL远小于10MΩ时接近于RL两端电压。
图 3 信号源通过同轴电缆连接到被测电路
图 4 无源探头接入电路时的等效电路
问题: 当用数字示波器探头直接连接到信号源的输出端,会发生什么呢?
也许,这是引起人们疑惑之所在:信号源本身的内阻是确定的50Ω,信号源的负载电阻是信号源本身并无法控制的。设置信号源的负载电阻应该是和实际的负载一致,但如果设置得不一致,就会出现测量的结果为信号源面板设置的输出电压读数值的2倍或1/2。
根本原因是:当设置信号源的负载电阻为50Ω时,信号源实际输出的电压Vs为设置的输出电压值的2倍,譬如信号源设置为输出1V电压,实际上信号源的物理层发出的电压Vs是2V。
那么:
1、当实际负载为50Ω时:
1-1
Vo=1/2*Vs;
1.1设置信号源的负载电阻也为50Ω,假设信号源面板上设置为1V,信号源实际输出的电压Vs为2V,这时候示波器测量值为1V;
1.2设置信号源的负载电阻为HiZ,假设信号源面板设置为1V,信号源实际输出的电压Vs也为1V,但是这时候由于实际负载是50Ω,分压作用导致示波器测量值为0.5V;
2、当实际负载HiZ为1MΩ时:
2-1
2.1 设置信号源的负载电阻为50Ω,假设信号源面板设置为1V,信号源实际输出的电压Vs为2V,这时候示波器测量值为2V;
2.2 设置信号源的负载电阻为HiZ,假设信号源面板设置为1V,信号源实际输出的电压Vs为1V,这时候示波器测量值为1V。
上面这样看似很绕的解释,总结起来无非要记住两点:
1,信号源的面板上设置负载电阻为50Ω时,信号源的物理层输出电压Vs为面板读数电压的2倍。
2,不要乱设置信号源的负载电阻,将其设置为与真实的负载电阻一致,那么测量结果就和信号源面板上设置的输出电压读数一致。
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