现代电子测量理论及应用第五章测量连接

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1、第五章测量连接■当把一台仪器连接到被测器件（DUT）上时，总是要对该器件造成干扰。在进行精密测量时，希望将加载效应和其它效应减至最低程度，使测量不会因测量仪器而变得不可靠。■常用的精密测量的精确方法：采用探头、衰减器、阻抗匹配器件、滤波器等，将所关心的信号耦合到仪器中。§5-1加载效应■对电路的电压测量一般将改变该电压的大小。■考虑如图5-1所示的电路，被测电路已模型化为一个具有一内阻ZS的电压源。开路条件下没有电流流过ZS，该电路的开路电压为VS。当负载阻抗ZL接到该电路时，根据分压关系，有：VL=VSZL/（ZS+ZL）（5-1）可见，

2、除非ZS等于0或者ZL等于无穷大，VL将总是小于VS。图5-1有限阻抗的电压源连接到电阻负载§5-2最大电压与功率传输■某些电子系统设计时要求系统中有最大的电压传输。●为实现最大电压传输，ZS应尽可能地小，ZL应尽可能地大，ZL应远大于ZS。●当ZL为无穷大，则为理想情况：VL=VS。■某些电子系统，特别是工作在频率为10MHz以上的系统，被设计成在系统中有最大的功率传输。如图5-1中负载阻抗所耗散的功率由下式给出：（5-2）为求得最大的功率传输，令RL与XL分别是ZL的实部与虚部，则可求得也即或●可见，当ZL=ZS*（*表示共轭），负载上

3、的功率达到最大。●如果各阻抗皆为实数，则当两个阻抗（电阻）相等，功率达到最大。●一般将阻抗选择得与传输线的特性阻抗Z0相等。如果输入与输出阻抗都等于Z0，则系统可正确地端接传输线，使反射最小。§5-3高阻抗输入■一般要求在最小加载条件下测量电路特定的电压，●实际情况，根据被测电路设定ZS，ZL应比ZS大得多。在低频，易于实现，但随频率的增高，实现将变得越来越困难。■复盖频率低于30MHz的频谱分析仪和网络分析仪具有高阻抗的输入端。●这些输入端类似常规示波器的高Z输入。可用一1MΩ的电阻与一典型值为30pF的小电容并联的模型表示。●在低频，输

4、入阻抗为1MΩ，对大多数应用是足够大。●随频率的增高，并联电容开始起作用，从而降低了仪器的等效输入阻抗。●使用仪器时，不能认为“高阻抗”输入对于一切频率都是高阻抗。例如，在10MHz上30pF电容器的阻抗只有530Ω。除了造成幅度的下降外，高阻抗输入还会因并联电容而导致相移。§5-4高阻抗探头■对高阻抗分析仪的输入应使用标准的示波器探头，以便实现对电路节点的常规检测。●如图5-2所示，为1×或1∶1探头没有设置衰减，与用一条屏蔽电缆将仪器输入端连接到被测电路等效。图5-2典型的10∶1高阻抗示波器探头●电路模型示于图5-3。●被测电压为（5

5、-4）●输入电容CIN产生传递函数中的一极点，使VIN在高频降低。●在时传递函数的量值减小3dB。●注意这一频率（实质上是系统的带宽）取决于RIN、CIN和RS。通常RIN远大于RS，故RS起主要作用。CIN是测量仪器的一部分，而RS是被测电路的等效输出阻抗。因此，被测结点的阻抗将影响测量的带宽。图5-3被测电路与仪器高阻抗输入产生一单极低通传递函数■有衰减探头●分析仪输入电容的带宽限制效应可用输入信号一定程度的衰减为代价加以补偿。●任何特定模式的探头都是针对一定的输入电容范围设计的，且由于电容将随仪器的设计而变化，因而必须选择与输入端相匹

6、配的探头。●有衰减的探头可等效为信号路径上的一个电阻和电容（图5-4）。图5-4有衰减探头将抵消仪器的输入电容的影响●传递到分析仪输入端的电压为：（5-5）▲当RPCP=RINCIN，上式简化为：。此时输入电容的影响被抵消；电缆电容等其它参数将限制探头的带宽；●由于DUT看到的是较高的探头阻抗、较小的电容，故被测器件上的载荷降低。通常：▲对于10×或10∶1探头，选择RP是RIN的9倍，VIN是VS的十分之一。▲CP可调，便于用户将探头与输入端精密匹配。●当与示波器一起使用探头时，通过优化系统的脉冲响应对它进行补偿。在频谱和网络分析仪的应用

7、中，可利用有平坦频响的跟踪发生器或信号发生器，通过调节使其达到可能的最平坦频响的方法对探头加以补偿。●10∶1探头是最普遍的有衰减探头，可提供20dB的衰减。也可以采用其它衰减比，以增加信号的衰减换取扩大的系统带宽。§5-5Z0阻抗输入●在较高的频率（例如：10MHz以上），杂散电容和其它效应严重地降低高阻抗输入的性能。●虽然高频分析仪可以呈现出高阻抗输入，但对于高质量的测量，仍使用Z0输入阻抗。在这一频段工作的大多数电子系统一般都采用低输入与输出阻抗，通常是50Ω或75Ω。▲频谱与网络分析仪都具有这种Z0输入阻抗，目的不在于提供最大电压给

8、分析仪，而是要使系统接Z0负载，从而在测量时必须提供这样的负载。▲滤波器、放大器、衰减器和振荡器等，为正常地运行都需要看到Z0负载。通常，分析仪通过Z0阻抗的传输线与被测器件连接