示波器探頭的使用及測量結果誤差分析

沈春陽

（武漢華夏理工學院， 湖北 武漢 430223）

引言

示波器的主要功能是對電信號運行時的綜合特征進行全面測量，不但可以有效觀察到電信號在不同信號幅度中隨時間變化的波形曲線，而且獲得電信號運行的周期以及頻率。示波器具有響應速度比較快、工作頻帶比較寬等特點，在脈沖式參數測量具有非常重要的意義。示波器探頭則是連接被測電路和示波器輸入端的主要設備，其運行質量直接決定了測量結果的準確性，在這樣的基礎上，開展示波器探討的使用及測量結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

從本質而言，示波器探頭是測試點和示波器之間連通的一種連接方式，必須在信號源和示波器輸入時提供方便優質的連接。而連接是否充分程度有三個關鍵指標：其一是物理連接的質量；其二是探頭對電力操作的影響程度；其三是信號傳輸的速度。大多數示波器探頭由頭部、探頭、電纜、補償設備和信號調節網絡等結構共同組成。

示波器探頭在具體應用時，要先連接到測試點上，為達到這一目標，多數探頭有1～2 m長的電纜，但電纜長度越長，示波器探頭的寬度就越小[1]。除1～2 m長的電纜之外，很多示波器探頭還帶有一個帶探針的把手，可以固定探頭，確保示波器探頭和測試點連接的緊密性。為獲得更加精確的測量結果，探針上的信號必須通過頭部和電纜，以確保信息能全部傳輸到示波器上。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

在具體應用中，無源探頭的應用范圍最為廣泛，主要原因是無源探頭主要由導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。但在具體應用過程中，示波器通常情況下無法自動識別其他品牌的探頭類型，需要手動設置衰減比，才能在測量過程中正確補償探頭產生的信號衰減，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由輸由輸如阻抗RProbe、寄生電容CProbe、傳輸導線、可調節補償電容CComp共同組成。無源示波器探頭在運行過程中的輸入阻抗為10 MΩ；衰減比因子為10∶1。示波器輸入點的電壓VScope和前端所測電壓值VPribe的比值為：（9 MΩ+1 MΩ）∶1 MΩ=10∶1[2]。根據這一關系可知，示波器中所得到的電壓僅是探頭探測電壓的10%。同時無源示波器探頭的阻抗為10 MΩ，因此在具體運行中，對待測電壓的負載效應比較小，滿足500 MHz以下頻段電信號的全面測量，其耐壓能力在300 Vrms～400 Vrms之間，市場價格也比較便宜，具有很強的通用性，值得大范圍推廣應用。

2 示波器探頭的使用要點

2.1 合理控制寬帶頻率和上升時間

探頭也具有其特定寬帶頻率，頻率選擇是否得當直接影響輸出幅度的衰減量。多數情況下，寬帶頻率由脈沖上升時間來驗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量系統中，相當于在示波器的輸入電容上并聯了一個電容，導致輸入電容進一步增加，上升時間也會隨著增加。研究表明，示波器探頭寬帶頻率和上升實踐乘積無限接近0.35，因此可用以下公式來表示：

在使用示波器探頭時要充分重視在探頭寬度和示波器寬度之間的關系，確保探頭寬度大于示波器寬度。在進行正弦電信號測量時，要確保探頭的寬度大于被測信號頻率的最大值，才能確保測量的精度。

2.2 做好阻抗匹配的調整

阻抗指的是示波器探頭在運行中，通過電壓和電流的比值。如果在測量中不考慮測量儀器對電路的干擾，則測量結果和未接測量儀器的結果相一致。如果接入測量儀器，則要確保測量儀器的輸入阻抗和信號源輸出阻抗相匹配，才能有效提升傳輸功率，確保整個測量系統能高效運行。而對于純電阻電路而言，阻抗沒有幅角，則負載阻值和信號源阻值相同[3]。如果是非純電阻電路，則要確保負載阻抗的共軛值和信號源的共軛值相同；否則示波器探頭測量的波形會發生變形，從而增加信息提取的難度。因此，示波器探頭在使用時，要先進行阻抗匹配的調整，以確保測量精度。

2.3 合理控制示波器探頭的負載效應

當示波器探頭加載到被測系統中以后，就成為被測電路的一部分，其自身具有的阻抗，會形成額外負載，影響被測電路的運行功率，從而影響被測信號的穩定性，甚至會導致被測信號發生變形。當負載效應超過允許值時，就會降低測量結果的準確性，通常情況下，示波器探頭負載效應主要包括兩個方面：第一，阻性負載效應；第二，感性負載效應。在使用示波器探頭時，為最大限度上提升測量精確度，就需要通過合理的方法減輕探頭對被測電路的負載效應，從而降低其對被測信號的干擾。通常情況下，選擇示波器探頭的阻抗不能超過被測電路輸出阻抗的10倍，以降低對被測信號邊緣的影響，確保測量精度。

3 示波器探頭測量結果誤差分析

研究表明，如果測量電路處于標準條件下，在連接電纜、負載等因素對誤差的影響比較小，甚至可以忽略不計。通過多次測量取平均數的方法可有效降低誤差。因此，導致示波器探頭測量結果誤差的主要因素是上升時間所引起的誤差，則上升測量值的上升時間可用以下公式來計算：

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

4 結語

本文結合理論實踐，分析了示波器探頭的使用及測量結果誤差，分析結果表明，探頭示波器測量中具有非常重要的作用，為提升測量的精度，要盡量降低探頭對被測電路的影響程度。因此，在選擇探頭時，要綜合考慮探頭的種類、連接方式、結構形式和運行參數指標等，才能選擇出最佳的探頭，確保測量的精度和準確性。