示波器探头的使用及测量结果误差分析

沈春阳

（武汉华夏理工学院， 湖北 武汉 430223）

引言

示波器的主要功能是对电信号运行时的综合特征进行全面测量，不但可以有效观察到电信号在不同信号幅度中随时间变化的波形曲线，而且获得电信号运行的周期以及频率。示波器具有响应速度比较快、工作频带比较宽等特点，在脉冲式参数测量具有非常重要的意义。示波器探头则是连接被测电路和示波器输入端的主要设备，其运行质量直接决定了测量结果的准确性，在这样的基础上，开展示波器探讨的使用及测量结果误差分析就显得尤为重要。

1 示波器探头的定义和工作原理

1.1 示波器探头定义

从本质而言，示波器探头是测试点和示波器之间连通的一种连接方式，必须在信号源和示波器输入时提供方便优质的连接。而连接是否充分程度有三个关键指标：其一是物理连接的质量；其二是探头对电力操作的影响程度；其三是信号传输的速度。大多数示波器探头由头部、探头、电缆、补偿设备和信号调节网络等结构共同组成。

示波器探头在具体应用时，要先连接到测试点上，为达到这一目标，多数探头有1～2 m长的电缆，但电缆长度越长，示波器探头的宽度就越小[1]。除1～2 m长的电缆之外，很多示波器探头还带有一个带探针的把手，可以固定探头，确保示波器探头和测试点连接的紧密性。为获得更加精确的测量结果，探针上的信号必须通过头部和电缆，以确保信息能全部传输到示波器上。常用的示波器探头有：无源电压探头、有源FET探头、电流探头和逻辑探头等。

1.2 示波器探头工作原理

在具体应用中，无源探头的应用范围最为广泛，主要原因是无源探头主要由导线和连接器共同组成，不含有晶体管和放大器，因此无需供电就可以正常应用。本文以无源示波器探头为例，来分析示波器探头的主要工作原理，无源探头主要以BNC接口和示波器相互连接。但在具体应用过程中，示波器通常情况下无法自动识别其他品牌的探头类型，需要手动设置衰减比，才能在测量过程中正确补偿探头产生的信号衰减，具体工作原理如图1所示：

图1 无源示波器探头工作原理

从图1中可以看出，无源示波器探头工作系统由输由输如阻抗RProbe、寄生电容CProbe、传输导线、可调节补偿电容CComp共同组成。无源示波器探头在运行过程中的输入阻抗为10 MΩ；衰减比因子为10∶1。示波器输入点的电压VScope和前端所测电压值VPribe的比值为：（9 MΩ+1 MΩ）∶1 MΩ=10∶1[2]。根据这一关系可知，示波器中所得到的电压仅是探头探测电压的10%。同时无源示波器探头的阻抗为10 MΩ，因此在具体运行中，对待测电压的负载效应比较小，满足500 MHz以下频段电信号的全面测量，其耐压能力在300 Vrms～400 Vrms之间，市场价格也比较便宜，具有很强的通用性，值得大范围推广应用。

2 示波器探头的使用要点

2.1 合理控制宽带频率和上升时间

探头也具有其特定宽带频率，频率选择是否得当直接影响输出幅度的衰减量。多数情况下，宽带频率由脉冲上升时间来验证是否在合理范围中，以便降低信息失真率。示波器探头加载到测量系统中，相当于在示波器的输入电容上并联了一个电容，导致输入电容进一步增加，上升时间也会随着增加。研究表明，示波器探头宽带频率和上升实践乘积无限接近0.35，因此可用以下公式来表示：

在使用示波器探头时要充分重视在探头宽度和示波器宽度之间的关系，确保探头宽度大于示波器宽度。在进行正弦电信号测量时，要确保探头的宽度大于被测信号频率的最大值，才能确保测量的精度。

2.2 做好阻抗匹配的调整

阻抗指的是示波器探头在运行中，通过电压和电流的比值。如果在测量中不考虑测量仪器对电路的干扰，则测量结果和未接测量仪器的结果相一致。如果接入测量仪器，则要确保测量仪器的输入阻抗和信号源输出阻抗相匹配，才能有效提升传输功率，确保整个测量系统能高效运行。而对于纯电阻电路而言，阻抗没有幅角，则负载阻值和信号源阻值相同[3]。如果是非纯电阻电路，则要确保负载阻抗的共轭值和信号源的共轭值相同；否则示波器探头测量的波形会发生变形，从而增加信息提取的难度。因此，示波器探头在使用时，要先进行阻抗匹配的调整，以确保测量精度。

2.3 合理控制示波器探头的负载效应

当示波器探头加载到被测系统中以后，就成为被测电路的一部分，其自身具有的阻抗，会形成额外负载，影响被测电路的运行功率，从而影响被测信号的稳定性，甚至会导致被测信号发生变形。当负载效应超过允许值时，就会降低测量结果的准确性，通常情况下，示波器探头负载效应主要包括两个方面：第一，阻性负载效应；第二，感性负载效应。在使用示波器探头时，为最大限度上提升测量精确度，就需要通过合理的方法减轻探头对被测电路的负载效应，从而降低其对被测信号的干扰。通常情况下，选择示波器探头的阻抗不能超过被测电路输出阻抗的10倍，以降低对被测信号边缘的影响，确保测量精度。

3 示波器探头测量结果误差分析

研究表明，如果测量电路处于标准条件下，在连接电缆、负载等因素对误差的影响比较小，甚至可以忽略不计。通过多次测量取平均数的方法可有效降低误差。因此，导致示波器探头测量结果误差的主要因素是上升时间所引起的误差，则上升测量值的上升时间可用以下公式来计算：

从此公式中可以看出，当测量电路系统上升时间与信号上升时间的比率为1∶3时，则测量值的上升时间为此时引入的测量误差而当测量电路系统上升时间与信号上升时间的比率为1∶2时，测量误差为11.8%，同时通过此种方法还能测量出其他条件下的测量误差。比如：当示波器探头上升时间比率为1∶1时，测量误差为41.1%；比率为1∶5时，测量误差为1.9%；比率为1∶7时，测量误差为1.02%。

4 结语

本文结合理论实践，分析了示波器探头的使用及测量结果误差，分析结果表明，探头示波器测量中具有非常重要的作用，为提升测量的精度，要尽量降低探头对被测电路的影响程度。因此，在选择探头时，要综合考虑探头的种类、连接方式、结构形式和运行参数指标等，才能选择出最佳的探头，确保测量的精度和准确性。