示波器探頭的使用及測(cè)量結(jié)果誤差分析

沈春陽

（武漢華夏理工學(xué)院， 湖北 武漢 430223）

引言

示波器的主要功能是對(duì)電信號(hào)運(yùn)行時(shí)的綜合特征進(jìn)行全面測(cè)量，不但可以有效觀察到電信號(hào)在不同信號(hào)幅度中隨時(shí)間變化的波形曲線，而且獲得電信號(hào)運(yùn)行的周期以及頻率。示波器具有響應(yīng)速度比較快、工作頻帶比較寬等特點(diǎn)，在脈沖式參數(shù)測(cè)量具有非常重要的意義。示波器探頭則是連接被測(cè)電路和示波器輸入端的主要設(shè)備，其運(yùn)行質(zhì)量直接決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在這樣的基礎(chǔ)上，開展示波器探討的使用及測(cè)量結(jié)果誤差分析就顯得尤為重要。

1 示波器探頭的定義和工作原理

1.1 示波器探頭定義

從本質(zhì)而言，示波器探頭是測(cè)試點(diǎn)和示波器之間連通的一種連接方式，必須在信號(hào)源和示波器輸入時(shí)提供方便優(yōu)質(zhì)的連接。而連接是否充分程度有三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：其一是物理連接的質(zhì)量；其二是探頭對(duì)電力操作的影響程度；其三是信號(hào)傳輸?shù)乃俣?。大多?shù)示波器探頭由頭部、探頭、電纜、補(bǔ)償設(shè)備和信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)共同組成。

示波器探頭在具體應(yīng)用時(shí)，要先連接到測(cè)試點(diǎn)上，為達(dá)到這一目標(biāo)，多數(shù)探頭有1～2 m長(zhǎng)的電纜，但電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，示波器探頭的寬度就越小[1]。除1～2 m長(zhǎng)的電纜之外，很多示波器探頭還帶有一個(gè)帶探針的把手，可以固定探頭，確保示波器探頭和測(cè)試點(diǎn)連接的緊密性。為獲得更加精確的測(cè)量結(jié)果，探針上的信號(hào)必須通過頭部和電纜，以確保信息能全部傳輸?shù)绞静ㄆ魃?。常用的示波器探頭有：無源電壓探頭、有源FET探頭、電流探頭和邏輯探頭等。

1.2 示波器探頭工作原理

在具體應(yīng)用中，無源探頭的應(yīng)用范圍最為廣泛，主要原因是無源探頭主要由導(dǎo)線和連接器共同組成，不含有晶體管和放大器，因此無需供電就可以正常應(yīng)用。本文以無源示波器探頭為例，來分析示波器探頭的主要工作原理，無源探頭主要以BNC接口和示波器相互連接。但在具體應(yīng)用過程中，示波器通常情況下無法自動(dòng)識(shí)別其他品牌的探頭類型，需要手動(dòng)設(shè)置衰減比，才能在測(cè)量過程中正確補(bǔ)償探頭產(chǎn)生的信號(hào)衰減，具體工作原理如圖1所示：

圖1 無源示波器探頭工作原理

從圖1中可以看出，無源示波器探頭工作系統(tǒng)由輸由輸如阻抗RProbe、寄生電容CProbe、傳輸導(dǎo)線、可調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容CComp共同組成。無源示波器探頭在運(yùn)行過程中的輸入阻抗為10 MΩ；衰減比因子為10∶1。示波器輸入點(diǎn)的電壓VScope和前端所測(cè)電壓值VPribe的比值為：（9 MΩ+1 MΩ）∶1 MΩ=10∶1[2]。根據(jù)這一關(guān)系可知，示波器中所得到的電壓僅是探頭探測(cè)電壓的10%。同時(shí)無源示波器探頭的阻抗為10 MΩ，因此在具體運(yùn)行中，對(duì)待測(cè)電壓的負(fù)載效應(yīng)比較小，滿足500 MHz以下頻段電信號(hào)的全面測(cè)量，其耐壓能力在300 Vrms～400 Vrms之間，市場(chǎng)價(jià)格也比較便宜，具有很強(qiáng)的通用性，值得大范圍推廣應(yīng)用。

2 示波器探頭的使用要點(diǎn)

2.1 合理控制寬帶頻率和上升時(shí)間

探頭也具有其特定寬帶頻率，頻率選擇是否得當(dāng)直接影響輸出幅度的衰減量。多數(shù)情況下，寬帶頻率由脈沖上升時(shí)間來驗(yàn)證是否在合理范圍中，以便降低信息失真率。示波器探頭加載到測(cè)量系統(tǒng)中，相當(dāng)于在示波器的輸入電容上并聯(lián)了一個(gè)電容，導(dǎo)致輸入電容進(jìn)一步增加，上升時(shí)間也會(huì)隨著增加。研究表明，示波器探頭寬帶頻率和上升實(shí)踐乘積無限接近0.35，因此可用以下公式來表示：

在使用示波器探頭時(shí)要充分重視在探頭寬度和示波器寬度之間的關(guān)系，確保探頭寬度大于示波器寬度。在進(jìn)行正弦電信號(hào)測(cè)量時(shí)，要確保探頭的寬度大于被測(cè)信號(hào)頻率的最大值，才能確保測(cè)量的精度。

2.2 做好阻抗匹配的調(diào)整

阻抗指的是示波器探頭在運(yùn)行中，通過電壓和電流的比值。如果在測(cè)量中不考慮測(cè)量?jī)x器對(duì)電路的干擾，則測(cè)量結(jié)果和未接測(cè)量?jī)x器的結(jié)果相一致。如果接入測(cè)量?jī)x器，則要確保測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗和信號(hào)源輸出阻抗相匹配，才能有效提升傳輸功率，確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能高效運(yùn)行。而對(duì)于純電阻電路而言，阻抗沒有幅角，則負(fù)載阻值和信號(hào)源阻值相同[3]。如果是非純電阻電路，則要確保負(fù)載阻抗的共軛值和信號(hào)源的共軛值相同；否則示波器探頭測(cè)量的波形會(huì)發(fā)生變形，從而增加信息提取的難度。因此，示波器探頭在使用時(shí)，要先進(jìn)行阻抗匹配的調(diào)整，以確保測(cè)量精度。

2.3 合理控制示波器探頭的負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)示波器探頭加載到被測(cè)系統(tǒng)中以后，就成為被測(cè)電路的一部分，其自身具有的阻抗，會(huì)形成額外負(fù)載，影響被測(cè)電路的運(yùn)行功率，從而影響被測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致被測(cè)信號(hào)發(fā)生變形。當(dāng)負(fù)載效應(yīng)超過允許值時(shí)，就會(huì)降低測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常情況下，示波器探頭負(fù)載效應(yīng)主要包括兩個(gè)方面：第一，阻性負(fù)載效應(yīng)；第二，感性負(fù)載效應(yīng)。在使用示波器探頭時(shí)，為最大限度上提升測(cè)量精確度，就需要通過合理的方法減輕探頭對(duì)被測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)，從而降低其對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾。通常情況下，選擇示波器探頭的阻抗不能超過被測(cè)電路輸出阻抗的10倍，以降低對(duì)被測(cè)信號(hào)邊緣的影響，確保測(cè)量精度。

3 示波器探頭測(cè)量結(jié)果誤差分析

研究表明，如果測(cè)量電路處于標(biāo)準(zhǔn)條件下，在連接電纜、負(fù)載等因素對(duì)誤差的影響比較小，甚至可以忽略不計(jì)。通過多次測(cè)量取平均數(shù)的方法可有效降低誤差。因此，導(dǎo)致示波器探頭測(cè)量結(jié)果誤差的主要因素是上升時(shí)間所引起的誤差，則上升測(cè)量值的上升時(shí)間可用以下公式來計(jì)算：

從此公式中可以看出，當(dāng)測(cè)量電路系統(tǒng)上升時(shí)間與信號(hào)上升時(shí)間的比率為1∶3時(shí)，則測(cè)量值的上升時(shí)間為此時(shí)引入的測(cè)量誤差而當(dāng)測(cè)量電路系統(tǒng)上升時(shí)間與信號(hào)上升時(shí)間的比率為1∶2時(shí)，測(cè)量誤差為11.8%，同時(shí)通過此種方法還能測(cè)量出其他條件下的測(cè)量誤差。比如：當(dāng)示波器探頭上升時(shí)間比率為1∶1時(shí)，測(cè)量誤差為41.1%；比率為1∶5時(shí)，測(cè)量誤差為1.9%；比率為1∶7時(shí)，測(cè)量誤差為1.02%。

4 結(jié)語

本文結(jié)合理論實(shí)踐，分析了示波器探頭的使用及測(cè)量結(jié)果誤差，分析結(jié)果表明，探頭示波器測(cè)量中具有非常重要的作用，為提升測(cè)量的精度，要盡量降低探頭對(duì)被測(cè)電路的影響程度。因此，在選擇探頭時(shí)，要綜合考慮探頭的種類、連接方式、結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)等，才能選擇出最佳的探頭，確保測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。