梁榮駒 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)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(gè)功能適當(dāng)且性能良好的探頭，對(duì)傳輸波形的真實(shí)與可靠起到至關(guān)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(jù)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(diǎn)；但在測量高頻信號(hào)時(shí)，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(hào)；低阻抗無源探頭可以提高測量頻帶寬度，主要應(yīng)用在頻帶寬度較寬的場合，但由于低阻抗特性，當(dāng)并聯(lián)到電路時(shí)會(huì)對(duì)被測信號(hào)產(chǎn)生影響。有源探頭的前端有一個(gè)阻抗較高的高帶寬放大器，在保持高帶寬的同時(shí)，也確保了高阻抗。有源探頭具有昂貴的造價(jià)、輸入電壓范圍有限等缺點(diǎn)，導(dǎo)致使用范圍僅適用于部分被測信號(hào)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(zhǔn)方法。

1 示波器探頭電路原理與主要校準(zhǔn)指標(biāo)

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(dān)了9/10，最終示波器僅得到輸入電壓的1/10，以達(dá)到電壓衰減效果。探頭中的電容（C1和C2）是影響頻響的關(guān)鍵部件。在測量電路時(shí)，探頭上的電容使得整個(gè)輸入端的電容（C1、C2和C3）增大，從而加大了整個(gè)測量系統(tǒng)的上升時(shí)間。由于帶寬和上升時(shí)間成倒數(shù)關(guān)系，故上升時(shí)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(xiàn)判別探頭的好壞，共存在三個(gè)關(guān)鍵的校準(zhǔn)指標(biāo)，分別為衰減倍率、上升時(shí)間、頻帶寬度。

由于測量上升時(shí)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(xì)介紹，本文著重介紹三種示波器探頭衰減倍率的校準(zhǔn)方法。

2 示波器探頭衰減倍率的校準(zhǔn)

2.1 方法一：基于示波器的校準(zhǔn)

所需儀器：數(shù)字示波器、標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)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(hào)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(diào)至1 MΩ，信號(hào)源輸出阻抗調(diào)至1 MΩ，達(dá)到阻抗匹配效果。

3）設(shè)置信號(hào)源輸出直流電壓u1，將示波器平均采樣次數(shù)調(diào)節(jié)為16次。讀取示波器電壓顯示值u2。直流衰減倍率的計(jì)算公式為u1/ u2。這里要注意，示波器能直接辨認(rèn)某些探頭，會(huì)將衰減倍率直接修正，此時(shí)計(jì)算公式應(yīng)為u1*（倍率）/ u2。

2.2 方法二：基于數(shù)字多用表電壓功能的校準(zhǔn)

所需儀器：精度較高的數(shù)字多用表、直流信號(hào)源、1 MΩ電阻，按圖3連接。

圖3 數(shù)字多用表測量衰減倍率連接框圖

操作步驟：

1）信號(hào)源的輸出端與探頭的輸入端相連。數(shù)字多用表一般輸入阻抗為10 MΩ，較高。使用高阻無源探頭時(shí)，為達(dá)到阻抗匹配，需要在數(shù)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2）將數(shù)字多用表調(diào)至測量直流電壓檔位。

3）信號(hào)源輸出直流電壓u1，數(shù)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(shù)字多用表電阻功能的校準(zhǔn)

所需儀器：精度較高的數(shù)字多用表、數(shù)字示波器，按圖4連接。

由于探頭的倍率功能是通過探頭內(nèi)的阻抗與示波器的阻抗進(jìn)行分壓來實(shí)現(xiàn)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(shù)字多用表的輸出端相連。

2）示波器的輸入阻抗調(diào)至1 MΩ。

3）數(shù)字多用表調(diào)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(dǎo)線短接（如圖5）。

5）重復(fù)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(diǎn)

在前兩種方法中，需要特別注意的是，測量時(shí)盡量選擇數(shù)值較大的電壓點(diǎn)。這是因?yàn)楦咦锜o源探頭具有分壓作用，當(dāng)信號(hào)通過探頭到達(dá)示波器時(shí)信號(hào)將被衰減，而系統(tǒng)中的雜波不會(huì)被衰減，因此會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大干擾，從而產(chǎn)生較大的計(jì)量誤差。

用前兩種方法都能準(zhǔn)確測得探頭的衰減倍率，但各有優(yōu)缺點(diǎn)：

1）采用數(shù)字示波器校準(zhǔn)，雖然連接比較簡便，但對(duì)示波器的要求較高，由于探頭的準(zhǔn)確度一般約為3%，根據(jù)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(zhǔn)確度要優(yōu)于1%，否則會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差。

2）采用數(shù)字多用表電壓功能校準(zhǔn)，由于具有較高精度，因此測量結(jié)果的不確定度較小，但為了實(shí)現(xiàn)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(yàn)過程中，仍需進(jìn)一步完善，僅提供方法參考。

4 結(jié)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(zhǔn)提供了新的思路，提高了測量準(zhǔn)確度。

[1]全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 262-1996[S].北京：中國計(jì)量出版社，1997.

[2]張楠，朱思捷，陳益勝.示波器探頭校準(zhǔn)方法探討[J].中國測試技術(shù)，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(jì)量技術(shù)，2001（01）：53-54.