示波器测量值与信号源输出值形成2倍之问题解答

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？
 
图5  鼎阳科技SDG2000X信号源设置菜单 

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。