示波器探頭衰減倍率的校準(zhǔn)方法

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(dāng)且性能良好的探頭，對傳輸波形的真實與可靠起到至關(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;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(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)到電路時會對被測信號產(chǎn)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(dǎo)致使用范圍僅適用于部分被測信號頻帶范圍較寬的場合。

下面PRBTEK普科科技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，原理如圖所示：

從上圖可知，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，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(shù)關(guān)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(xiàn)判別探頭的好壞，共存在三個關(guān)鍵的校準(zhǔn)指標(biāo)，分別為衰減倍率、上升時間、頻帶寬度。

下面PRBTEK普科科技介紹三種示波器探頭衰減倍率的校準(zhǔn)方法。

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)直流信號源

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(diào)至 1 MΩ，信號源輸出阻抗調(diào)至 1 MΩ，達(dá)到阻抗匹配效果。

3)設(shè)置信號源輸出直流電壓u1，將示波器平均圖 1 高阻無源探頭原理框圖國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN31-1424/TB2014/3 總第241期采樣次數(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，會將衰減倍率直接修正，此時計算公式應(yīng)為u1*(倍率)/ u2。

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、直流信號源、1 MΩ 電阻

操作步驟：

1)信號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，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。

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

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。

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。

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)。

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(shù)值較大的電壓點。這是因為高阻無源探頭具有分壓作用，當(dāng)信號通過探頭到達(dá)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(chǎn)生較大干擾，從而產(chǎn)生較大的計量誤差。

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：

1)采用數(shù)字示波器校準(zhǔn)，雖然連接比較簡便，但對示波器的要求較高，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，但為了實現(xiàn)阻抗匹配，需要額外連接阻值為1 MΩ 的電阻。

普科科技PRBTEK為您普及選擇探頭的重要性以及示波器探頭衰減倍率的校準(zhǔn)方法，如您在使用探頭中有什么問題，歡迎訪問普科科技PRBTEK官網(wǎng)。

審核編輯：湯梓紅