梁荣驹 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

示波器探头是示波器测量过程中的重要部件。选择一个功能适当且性能良好的探头，对传输波形的真实与可靠起到至关重要的作用。

从功能上讲，探头可分为电压探头和电流探头；从电路原理上讲，又可分为无源探头和有源探头。根据阻抗的高低，无源探头又可分为高阻抗和低阻抗两种类型。高阻抗无源探头具有输入阻抗高、测量成本低、测量电压范围大等优点；但在测量高频信号时，由于自身阻抗较高，受寄生电容影响较大，因此只适用于测量600MHz以下信号；低阻抗无源探头可以提高测量频带宽度，主要应用在频带宽度较宽的场合，但由于低阻抗特性，当并联到电路时会对被测信号产生影响。有源探头的前端有一个阻抗较高的高带宽放大器，在保持高带宽的同时，也确保了高阻抗。有源探头具有昂贵的造价、输入电压范围有限等缺点，导致使用范围仅适用于部分被测信号频带范围较宽的场合。

本文以通用性较高的高阻无源探头为例，介绍探头的校准方法。

1 示波器探头电路原理与主要校准指标

以10 ： 1的高阻无源探头为例，原理框图如图1所示。

图1 高阻无源探头原理框图

从图1可知，探头电阻与示波器电阻的比例为9：1，探头电阻起到分压作用，将原本加载在示波器上的电压分担了9/10，最终示波器仅得到输入电压的1/10，以达到电压衰减效果。探头中的电容（C1和C2）是影响频响的关键部件。在测量电路时，探头上的电容使得整个输入端的电容（C1、C2和C3）增大，从而加大了整个测量系统的上升时间。由于带宽和上升时间成倒数关系，故上升时间的加大使带宽变窄。

通过分析无源探头的电路原理，可以发现判别探头的好坏，共存在三个关键的校准指标，分别为衰减倍率、上升时间、频带宽度。

由于测量上升时间和频带宽度的方法在JJG 262-1996《模拟示波器检定规程》中已有详细介绍，本文着重介绍三种示波器探头衰减倍率的校准方法。

2 示波器探头衰减倍率的校准

2.1 方法一：基于示波器的校准

所需仪器：数字示波器、标准直流信号源，按图2连接。

图2 示波器测量衰减倍率连接框图

操作步骤：

1）信号源的输出端与探头的输入端相连，探头的输出端与示波器的输入端相连。

2）示波器的输入阻抗调至1 MΩ，信号源输出阻抗调至1 MΩ，达到阻抗匹配效果。

3）设置信号源输出直流电压u1，将示波器平均采样次数调节为16次。读取示波器电压显示值u2。直流衰减倍率的计算公式为u1/ u2。这里要注意，示波器能直接辨认某些探头，会将衰减倍率直接修正，此时计算公式应为u1*（倍率）/ u2。

2.2 方法二：基于数字多用表电压功能的校准

所需仪器：精度较高的数字多用表、直流信号源、1 MΩ电阻，按图3连接。

图3 数字多用表测量衰减倍率连接框图

操作步骤：

1）信号源的输出端与探头的输入端相连。数字多用表一般输入阻抗为10 MΩ，较高。使用高阻无源探头时，为达到阻抗匹配，需要在数字多用表的输入端接上1 MΩ的电阻，再与探头的输出端相连，实现阻抗匹配。

2）将数字多用表调至测量直流电压档位。

3）信号源输出直流电压u1，数字多用表测得直流电压u2，直流衰减倍率为u1/ u2。

2.3 方法三：基于数字多用表电阻功能的校准

所需仪器：精度较高的数字多用表、数字示波器，按图4连接。

由于探头的倍率功能是通过探头内的阻抗与示波器的阻抗进行分压来实现的，因此可将测电压的比值换为直接测电阻的比值来得到探头的衰减比。

图4 测量系统阻抗

图5 测量探头阻抗

操作步骤：

1）示波器的输入端与探头的输出端相连，探头的输入端与数字多用表的输出端相连。

2）示波器的输入阻抗调至1 MΩ。

3）数字多用表调至测量电阻档位，测得示波器加探头的系统输入阻抗为R1。

4）将探头从示波器上取下，探头的输出端用导线短接（如图5）。

5）重复步骤3），测得探头的阻值为R2。

6）衰减倍率为 R1/（R1- R2）。

3 三种方法的特点

在前两种方法中，需要特别注意的是，测量时尽量选择数值较大的电压点。这是因为高阻无源探头具有分压作用，当信号通过探头到达示波器时信号将被衰减，而系统中的杂波不会被衰减，因此会对信号产生较大干扰，从而产生较大的计量误差。

用前两种方法都能准确测得探头的衰减倍率，但各有优缺点：

1）采用数字示波器校准，虽然连接比较简便，但对示波器的要求较高，由于探头的准确度一般约为3%，根据溯源规定，系统测量不确定必须不大于被检最大允许误差的1/3，所以要求示波器的电压准确度要优于1%，否则会产生较大的测量误差。

2）采用数字多用表电压功能校准，由于具有较高精度，因此测量结果的不确定度较小，但为了实现阻抗匹配，需要额外连接阻值为1 MΩ的电阻。

第三种方法处于多种类型探头的试验过程中，仍需进一步完善，仅提供方法参考。

4 结语

本文提供了三种测量示波器探头衰减倍率的方法，为探头衰减倍率的校准提供了新的思路，提高了测量准确度。

[1]全国无线电计量技术委员会.JJG 262-1996[S].北京：中国计量出版社，1997.

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[3]于卫平，付永杰. 正确选择和使用示波器的探头[J]. 计量技术，2001（01）：53-54.