示波器探頭衰減倍率的校準方法

梁榮駒 / 上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院

0 引言

示波器探頭是示波器測量過程中的重要部件。選擇一個功能適當且性能良好的探頭，對傳輸波形的真實與可靠起到至關重要的作用。

從功能上講，探頭可分為電壓探頭和電流探頭；從電路原理上講，又可分為無源探頭和有源探頭。根據阻抗的高低，無源探頭又可分為高阻抗和低阻抗兩種類型。高阻抗無源探頭具有輸入阻抗高、測量成本低、測量電壓范圍大等優(yōu)點；但在測量高頻信號時，由于自身阻抗較高，受寄生電容影響較大，因此只適用于測量600MHz以下信號；低阻抗無源探頭可以提高測量頻帶寬度，主要應用在頻帶寬度較寬的場合，但由于低阻抗特性，當并聯到電路時會對被測信號產生影響。有源探頭的前端有一個阻抗較高的高帶寬放大器，在保持高帶寬的同時，也確保了高阻抗。有源探頭具有昂貴的造價、輸入電壓范圍有限等缺點，導致使用范圍僅適用于部分被測信號頻帶范圍較寬的場合。

本文以通用性較高的高阻無源探頭為例，介紹探頭的校準方法。

1 示波器探頭電路原理與主要校準指標

以10 ： 1的高阻無源探頭為例，原理框圖如圖1所示。

圖1 高阻無源探頭原理框圖

從圖1可知，探頭電阻與示波器電阻的比例為9：1，探頭電阻起到分壓作用，將原本加載在示波器上的電壓分擔了9/10，最終示波器僅得到輸入電壓的1/10，以達到電壓衰減效果。探頭中的電容（C1和C2）是影響頻響的關鍵部件。在測量電路時，探頭上的電容使得整個輸入端的電容（C1、C2和C3）增大，從而加大了整個測量系統(tǒng)的上升時間。由于帶寬和上升時間成倒數關系，故上升時間的加大使帶寬變窄。

通過分析無源探頭的電路原理，可以發(fā)現判別探頭的好壞，共存在三個關鍵的校準指標，分別為衰減倍率、上升時間、頻帶寬度。

由于測量上升時間和頻帶寬度的方法在JJG 262-1996《模擬示波器檢定規(guī)程》中已有詳細介紹，本文著重介紹三種示波器探頭衰減倍率的校準方法。

2 示波器探頭衰減倍率的校準

2.1 方法一：基于示波器的校準

所需儀器：數字示波器、標準直流信號源，按圖2連接。

圖2 示波器測量衰減倍率連接框圖

操作步驟：

1）信號源的輸出端與探頭的輸入端相連，探頭的輸出端與示波器的輸入端相連。

2）示波器的輸入阻抗調至1 MΩ，信號源輸出阻抗調至1 MΩ，達到阻抗匹配效果。

3）設置信號源輸出直流電壓u1，將示波器平均采樣次數調節(jié)為16次。讀取示波器電壓顯示值u2。直流衰減倍率的計算公式為u1/ u2。這里要注意，示波器能直接辨認某些探頭，會將衰減倍率直接修正，此時計算公式應為u1*（倍率）/ u2。

2.2 方法二：基于數字多用表電壓功能的校準

所需儀器：精度較高的數字多用表、直流信號源、1 MΩ電阻，按圖3連接。

圖3 數字多用表測量衰減倍率連接框圖

操作步驟：

1）信號源的輸出端與探頭的輸入端相連。數字多用表一般輸入阻抗為10 MΩ，較高。使用高阻無源探頭時，為達到阻抗匹配，需要在數字多用表的輸入端接上1 MΩ的電阻，再與探頭的輸出端相連，實現阻抗匹配。

2）將數字多用表調至測量直流電壓檔位。

3）信號源輸出直流電壓u1，數字多用表測得直流電壓u2，直流衰減倍率為u1/ u2。

2.3 方法三：基于數字多用表電阻功能的校準

所需儀器：精度較高的數字多用表、數字示波器，按圖4連接。

由于探頭的倍率功能是通過探頭內的阻抗與示波器的阻抗進行分壓來實現的，因此可將測電壓的比值換為直接測電阻的比值來得到探頭的衰減比。

圖4 測量系統(tǒng)阻抗

圖5 測量探頭阻抗

操作步驟：

1）示波器的輸入端與探頭的輸出端相連，探頭的輸入端與數字多用表的輸出端相連。

2）示波器的輸入阻抗調至1 MΩ。

3）數字多用表調至測量電阻檔位，測得示波器加探頭的系統(tǒng)輸入阻抗為R1。

4）將探頭從示波器上取下，探頭的輸出端用導線短接（如圖5）。

5）重復步驟3），測得探頭的阻值為R2。

6）衰減倍率為 R1/（R1- R2）。

3 三種方法的特點

在前兩種方法中，需要特別注意的是，測量時盡量選擇數值較大的電壓點。這是因為高阻無源探頭具有分壓作用，當信號通過探頭到達示波器時信號將被衰減，而系統(tǒng)中的雜波不會被衰減，因此會對信號產生較大干擾，從而產生較大的計量誤差。

用前兩種方法都能準確測得探頭的衰減倍率，但各有優(yōu)缺點：

1）采用數字示波器校準，雖然連接比較簡便，但對示波器的要求較高，由于探頭的準確度一般約為3%，根據溯源規(guī)定，系統(tǒng)測量不確定必須不大于被檢最大允許誤差的1/3，所以要求示波器的電壓準確度要優(yōu)于1%，否則會產生較大的測量誤差。

2）采用數字多用表電壓功能校準，由于具有較高精度，因此測量結果的不確定度較小，但為了實現阻抗匹配，需要額外連接阻值為1 MΩ的電阻。

第三種方法處于多種類型探頭的試驗過程中，仍需進一步完善，僅提供方法參考。

4 結語

本文提供了三種測量示波器探頭衰減倍率的方法，為探頭衰減倍率的校準提供了新的思路，提高了測量準確度。

[1]全國無線電計量技術委員會.JJG 262-1996[S].北京：中國計量出版社，1997.

[2]張楠，朱思捷，陳益勝.示波器探頭校準方法探討[J].中國測試技術，2004，30（5）：35-36.

[3]于衛(wèi)平，付永杰. 正確選擇和使用示波器的探頭[J]. 計量技術，2001（01）：53-54.