防止示波器輸入過壓的指南

您在任何工程實驗室或測試部門，都會發現有些儀器的輸出端掛有「NG、中斷、損壞」等說明小標籤。這些無法使用的儀器很可能是示波器，是使用最廣泛的電子量測儀器之一。除了無所不在的特點之外，它們通常也很昂貴，每 GHz 頻寬的成本約為 10,000 至 12,000 美元。這些儀器的成本如此高昂，工程師和技術人員應瞭解保護這些儀器輸入的最佳方式，避免被掛上故障小標籤。

一個典型的 1 GHz 示波器，同時具有 50 Ω 和 1 MΩ 輸入。50 Ω 輸入的電壓靈敏度從 1 mV/div 到 1 V/div。1 MΩ 的輸入靈敏度為 1 mV/div 至 10 V/div。

保護 50 Ω 輸入

50 Ω 輸入的最大電壓輸入為 5 V rms，由內部端子的額定功率設置。施加到 50 Ω 電阻的 5 V rms 耗散 0.5 W (電流 (I) = V/R = 5 V/50 Ω = 0.1 A；功率 = V × I = 5 × 0.1 = 0.5 W)。

如果必須測量高於 5 V 的電壓，要怎麼做？只需使用 Crystek Corporation 的 CATTEN-03R0-BNC 直列衰減器 (圖 1)。

圖 1：直列衰減器提高示波器和頻譜分析儀 50 Ω 輸入的功率處理能力。(圖片來源：Crystek Corporation)

衰減器可降低訊號的功率等級且不會失真。同軸直列版本提供固定衰減，並具備多種不同插頭和插孔配置的連接器。

CATTEN-03R0-BNC 是 3 dB、50 Ω、BNC 衰減器，頻寬為 0 至 1 GHz，額定功率為 2 W。這是 Crystek 產品線的型號之一，衰減範圍為 1 到 20 dB。由於衰減器的最大輸入電壓受其額定功率限制，使用 3 dB 衰減器會將示波器的最大輸入電壓增加到 7 V。

對於頻寬大於 1 GHz 的示波器，可以使用 2.92 mm 直列衰減器，例如 Amphenol SV Microwave 的 SF0915-6200-03，這是 3 dB、50 Ω 的衰減器，頻寬從 0 到 40 GHz。

大多數示波器具有輸入縮放功能，可用來進行示波器校準維護。3 dB 衰減器的輸入由 0.707 的乘數進行縮放。這些衰減器的精密度通常高於 1 dB。

保護 1 MΩ 輸入

輸入頻率小於或等於 10 kHz 時，1 MΩ 輸入的典型最大額定電壓為 400 V (直流 + 峰值交流)。雖然規格要耐用得多，仍可能因雷擊或其他電磁干擾 (EMI) 現象引起的高幅度電壓暫態而受損。

可以使用突波保護器 (例如火花間隙、氣體放電管或二極管崩潰) 來保護 1 MΩ 輸入，這些突波保護器會在突波造成損壞之前放電並接地。

Amphenol Times Microwave Systems 的 LP-GTR-NFF 是 N 型連接器直列突波保護器，使用可替換氣體放電管。此管在直流電壓高於 ±90 V/20 A 時會崩潰，可以處理高達 50 W 的突波。採用直列式插入，頻寬從 DC 到 3 GHz，0.1 dB 插入損耗高達 1 GHz；0.2 dB 高達 3 GHz (圖 2)。

圖 2：LP-GTR-NFF 突波保護器採用可替換氣體放電管保護同軸線路，免受高達 50 W 暫態突波的影響。(圖片來源：Amphenol Times Microwave Systems)

突波保護器通常與儀器的輸入串聯，通常用於連接到可能出現大暫態電壓的長資料通訊或電源線的儀器。

消除直流偏壓電壓

一些量測應用，如測量直流電源匯流排上漣波等，需要以直流阻隔器消除直流偏壓，以達到更靈敏的垂直刻度。直流阻隔器是一種同軸配接器，使用串聯電容允許高頻訊號通過。

直流阻隔器指定用於特定特性的阻抗，通常為 50 或 75 Ω。Crystek Corporation 的 CBLK-300-3 是 50 Ω 的內導體直流阻隔器，可以導通頻率為 300 kHz 至 3 GHz 的訊號，同時阻斷高達 16 V 的直流位準 (圖 3)。在工作頻率範圍內具有低插入和回波損耗。

圖 3：Crystek 的 CBLK-300-3 可阻擋高達 16 V 的直流電，並傳遞頻率為 300 kHz 至 3 GHz 的訊號。(圖片來源：Crystek Corporation，經作者修改)

結論

示波器是設計師最好的朋友，只要稍加注意，就不需拋棄。上述工具有助於確保不會發生這種情況，方法是降低儀器輸入的最大電壓，即可避免儀器被標上故障標籤。