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示波器探头带宽的使用及测量结果的误差分析示波器探头在电路信号测试中起着至关重要的作用，为提高被测信号测量的精度，满足测量要求，本文介绍了示波器的结构与组成，主要指出我们在用示波器进行测量中不能忽略探头带宽对测量结果的影响，要对探头带宽进行有效选择。
标签：示波器；被测信号；探头；带宽示波器是广泛应用于工业测试技术和电子测量技术等领域中用途十分广泛的通用测试仪器。
它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。
而在测试过程中，要想保证测量精度，准确快速地對系统信号进行分析，测量时有很多因素必须考虑。
如仪器速度能否跟上被测信号的变化，带宽是否足够，测量方法会不会引入干扰，甚至还有所使用的探头是否合适等等。
下面，文章就示波器探头带宽的使用及其测量结果展开研究分析。
1示波器的结构与组成示波器的组成结构如图1所示。
2带宽示波器的结构决定了示波器带宽的重要性。
放大器是被测信号进入示波器的大门，所以前端放大器件的带宽决定了示波器的带宽。
示波器通道模拟带宽的定义为，测量等幅扫频信号时幅频特性下降到-3dB时（70.7%）对应的频率范围，如图2所示。
3探头带宽与示波器及被测信号之间的关联探头也是仪器，与示波器一样也具有有限的模拟带宽，并与示波器共同组成一个测量系统。
这个测量系统的总体带宽由示波器主机带宽和探头带宽共同决定。
这一系统带宽将影响被测信号如正弦波、脉冲和方波幅度以及上升时间的测量准确度。
式中：——实际测量到的信号上升时间，等于示波器上升时间、探头上升时间以及被测信号上升时间三者的均方根系统的上升时间与带宽的乘积为一常数，对系统函数为1阶的模型而言，该常数经验值为0.35，对于更高阶的模型该常数介于0.35～0.5之间。
可以推导出这四个带宽之间的关系。
如果示波器和探头各自的带宽均为100MHz，则上升时间均为tr=3.5ns。
则整个测量系统上升时间就由下式给出：由4.95ns的测量系统上升时间可以知道系统带宽为3.5/4.95ns=70.7MHz。
示波器测量时需要避免的七大常见错误在理想情况下，所有探头都应该是一条不会对被测设备产生任何干扰的导线，当连接到您的电路时，具有无穷大的输入电阻，而电容和电感为零。
这样将会精确复制被测信号。
但现实情况是，探头会给电路带来负载效应。
探头上的电阻、电容和电感元件可能改变被测电路的响应。
每个电路都不尽相同，它们有自己的电气特性。
因此，每次探测设备时，都需要考虑探头的特性并选择对测量影响最小的探头。
考虑的范围包括从示波器输入端通过电缆到被测设备上特定连接点的完整连接，也包括用于连接到测试点的任何附件或附加导线和焊接。
了解在测试中可能遇到的错误，以及如何通过更好的操作改进测量。
探头的电气特性会影响测量结果和电路的工作。
采取措施确保这些影响在可接受的范围内，是成功测量的关键步骤。
在使用示波器时，常见的错误有以下七种：错误 1没有校准探头探头在出厂的之后都进行过校准，但它们没有针对示波器前端进行校准。
如果它们未在示波器输入端上进行校准，那么就无法得到正确的测量结果。
有源探头如果有源探头没有针对示波器进行校准，在测试时将看到垂直电压测量结果和上升沿时序（以及可能的一些失真）出现差异。
大多数示波器具有参考或辅助输出功能，还配有操作指南来引导工程师完成探头校准。
图 1：发生器输出和探测到的信号图 1 显示了通道 1（黄色迹线）上的 SMA 电缆和适配器输入到示波器的 50 MHz 信号。
绿色迹线是通过通道 2 上的有源探头输入到示波器的同一信号。
请注意，通道1 上的发生器输出为 1.04 Vpp（伏特峰峰值），通道 2 上探测到的信号为 965 mV （毫伏）。
另外，通道1 与通道 2 的偏移高达 3 ms（毫秒），所以上升时间根本不能排成一行。
无源探头可以调节探头的可变电容，使补偿与正在使用的示波器输入完美匹配。
大多数示波器都有可以用于校准或参考的方波输出。
探测这个连接，检查波形是否为方形。
根据需要调整可变电容，以消除所有下冲或过冲。
示波器不确定度分析及校准方法研究示波器是一种测量电磁波信号的基本仪器，在电子、通讯等领域得到广泛应用。
然而，在实际使用中，示波器的测量结果与真实值之间会存在偏差，这就是示波器的不确定度。
示波器的不确定度可以通过误差分析与校准方法来解决。
误差分析是对示波器测量精度的评估，通过了解示波器的测量误差来源及其大小，来确定其不确定度。
校准方法则是通过对示波器进行标准化处理，提高测量精度，降低不确定度。
一、示波器误差分析的方法示波器误差主要来自于测量电路中元件的原始误差、示波器内部误差、示波器测量环境误差等多个方面。
误差分析的方法主要有以下两种：1.标准络差法标准络差法是一种直接应用于示波器的误差分析方法。
该方法通过将示波器与标准信号源连接，利用示波器测量到的电压值与标准值之间的差异，来计算示波器的误差量。
具体步骤如下：a.将标准信号源与被测示波器连接，使其输出一定频率、幅值、相位的标准信号。
b.利用示波器测量该标准信号的幅值与相位信息。
c.根据标准信号源输出量以及示波器测量值计算出实际输出值。
d.将实际输出值与理论标准值进行比较，计算示波器的误差。
2.方差分析法方差分析法是一种综合性的误差分析方法，它通过将被测示波器与标准信号源连接，并改变标准信号的频率、幅值、相位等条件，来分别计算示波器在这些条件下的测量误差值。
通过方差分析法，可以得到示波器在实际应用中的误差，为后续的校准提供重要依据。
二、示波器的校准方法示波器的校准方法主要有以下三种：1. 内部自校准法内部自校准法是指利用示波器内置的标准信号源和自动校准电路等，在示波器自身内部进行数据校准。
该方法使用方便，可以实现快速校准。
2. 标准信号校准法标准信号校准法是指利用标准信号源与被测示波器相连，测量标准信号的幅值、频率、相位等参数，通过标准值与示波器测量值之间的差异，来进行校准。
该方法适用于对示波器进行全面的校准。
3. 外部自校准法外部自校准法是指利用外部校准仪器（例如计时器、频谱分析仪等），对示波器进行数据校准。
示波器测不准原因汇总示波器是工程师的案头必备工具，看波形，调BUG都离不了，而探头是必不可少的配件，如果用不好，甚至会严重影响测量结果。
图1示波器探头的作用探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果一、探头的负载效应当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。
探头的负载效应包括下面3部分：1. 阻性负载效应；2. 容性负载效应；3. 感性负载效应。
图2探头的负载效应阻性负载相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。
有时，加上探头时，有故障的电路可能变得正常了。
一般推荐探头的电阻R>10倍被测源电阻，以维持小于10%的幅度误差。
图3探头的阻性负载容性负载相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的上升下降时间，影响传输延迟，影响传输互连通道的带宽。
有时，加上探头时，有故障的电路变得正常了，这个电容效应起到了关键的作用。
一般推荐使用电容负载尽量小的探头，以减小对被测信号边沿的影响。
图4探头的容性负载感性负载来源于探头地线的电感效应，这地线电感会与容性负载和阻性负载形成谐振，从而使显示的信号上出现振铃。
如果显示的信号上出现明显的振铃，需要检查确认是被测信号的真实特征还是由于接地线引起的振铃，检查确认的方法是使用尽量短的接地线。
一般推荐使用尽量短的地线，一般地线电感=1nH/mm。
图5探头的感性负载二、探头的类型示波器探头大的方面可以分为：无源探头和有源探头两大类。
无源有源顾名思义就是需不需要给探头供电。
无源探头细分如下：1. 低阻电阻分压探头；2. 带补偿的高阻无源探头（最常用的无源探头）；3. 高压探头有源探头细分如下：1. 单端有源探头；2. 差分探头；3. 电流探头最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：表1有源探头和无源探头对比低阻电阻分压探头具备较低的电容负载（<1pf)，较高的带宽（>1.5GHz），较低的价格，但是电阻负载非常大，一般只有500ohm或1Kohm，所以只适合测试低源阻抗的电路，或只关注时间参数测试的电路。
示波器的测量精度和准确性分析示波器是一种广泛应用于电子测量和实验的仪器。
在电路设计和故障排除中，精确的测量结果对于确保电路性能和可靠性至关重要。
因此，了解示波器的测量精度和准确性是十分重要的。
一、测量精度示波器的测量精度指示波器测量结果与被测波形真实值之间的差异程度。
测量精度受到示波器本身技术特性和测量环境等因素的影响。
1. 垂直测量精度垂直测量精度是指示波器对输入信号幅值的测量精度。
它受到示波器的增益线性度、输入缓冲放大器的噪声以及示波器的垂直分辨率等因素的影响。
增益线性度指的是示波器在不同设置下的放大倍数是否准确。
如果示波器的线性度不高，测量结果将存在明显的偏差。
2. 水平测量精度水平测量精度是指示波器对时间和频率的测量精度。
它受到示波器时间基准的稳定性、水平缩放的准确性以及示波器的时间分辨率等因素的影响。
时间基准的稳定性是指示波器的时间刻度是否准确及其长期稳定性。
若时间基准不可靠，测量结果将受到很大影响。
二、准确性准确性是指示波器测量结果与被测信号真实值之间的接近程度。
示波器的准确性主要与校准有关，校准是确保示波器测量结果准确的重要手段。
1. 定期校准定期校准是示波器维持准确度的重要方法。
示波器制造商通常建议用户在使用一段时间后进行定期校准。
通过校准，可以检查和调整示波器各个测量通道的增益、偏移、时间基准以及补偿等参数，确保测量结果准确。
2. 外部标准使用外部标准是进行示波器校准的一种常见方法。
外部标准可以是已知准确度的信号源或者其他经过校准的设备，通过与示波器进行比较，确定示波器的测量偏差，并进行修正，从而提高示波器的准确性。
三、提高测量精度和准确性的方法1. 注意测量环境示波器的测量精度和准确性受到测量环境的影响。
应尽量避免电磁干扰和温度变化等因素对示波器的影响，确保测量结果的可靠性。
2. 合理选择示波器根据具体需求，在选择示波器时考虑其技术指标和功能。
对于要求较高的应用场景，需要选择具有高精度和准确性的示波器，以确保测量结果的可靠性。
示例波器实验误差分析引言示波器是一种用于观测和测量电子信号的仪器。
在电子工程领域中，示波器是一种非常重要的工具，用于分析和故障排除电路中的信号。
在进行示波器实验时，误差分析是不可忽视的一部分。
本文将对示波器实验中可能引起误差的因素和方法进行分析和讨论。
示波器实验误差来源示波器实验中的误差可以分为系统误差和随机误差两大类。
系统误差系统误差是由于示波器本身的不精确性或者外界环境的影响等原因所引起的误差。
以下是一些常见的系统误差来源：1.增益误差：示波器的增益参数可能存在偏差，导致测量结果出现错误。
为了降低增益误差，可以使用校准仪器和标准信号源进行校准。
2.时间基准误差：示波器的时间基准可能存在偏差，导致测量结果出现时间错差。
为了降低时间基准误差，可以使用外部参考信号进行校准。
3.触发误差：示波器的触发电路可能存在不稳定性，导致触发点发生偏移。
为了降低触发误差，可以调整示波器的触发电路参数或使用外部触发信号。
随机误差随机误差是由于示波器实验中的各种随机因素所引起的误差。
以下是一些常见的随机误差来源：1.噪声: 示例波器在测量过程中一般都会受到噪声的干扰，这些噪声包括热噪声、杂散噪声等。
为了降低噪声的影响，可以提高示波器的信噪比或使用滤波器进行信号处理。
2.抖动: 示波器的显示可能会受到抖动的影响，导致测量结果出现波动。
为了降低抖动误差，可以改进示波器的抖动抑制技术。
误差分析方法对于示波器实验中出现的误差，我们可以采用以下方法进行分析和处理：1.校准: 在使用示波器进行实验之前，首先要进行校准。
校准可以通过使用标准信号源和校准仪器进行。
校准的过程可以调整示波器的增益、时间基准和触发电路等参数，以减小系统误差的影响。
2.数据处理: 在进行示波器实验时，获取到的数据可能存在一定的误差。
对于这些数据，我们可以使用统计方法进行处理，如平均值、标准差等。
这样可以减小随机误差的影响，提高测量结果的准确性。
3.优化测量条件: 在进行示波器实验时，我们可以优化实验条件，以减小误差的影响。
示波器探头应用及测量结果误差分析
作者：刘洋
来源：《电子技术与软件工程》2015年第15期
摘要
本文首先介绍了示波器探头的定义和工作原理，并详细讨论探头在实际测试中的应用及对电路的影响，进一步总结了探头使用时的注意事项。
通过对示波器/探头系统的上升时间的误差分析，对实际测试中探头的选择给出了一定的建议。
与示波器和被测电路都匹配良好的探头，才是测量选用的最佳探头，才可以最大限度保证被测信号的完整性以及满足测量精度的要求。
【关键词】示波器探头阻抗匹配上升时间
1 概述
示波器是一种测量电信号综合特性的电子仪器，利用它不但可以观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，也可以观察信号的周期、频率和相位。
由于示波器具有响应速度快、工作频带宽的特点，所以它在脉冲波形参数测量方面具有不可替代的作用。
而示波器探头是连接被测电路与示波器输入端的辅助测量设备，其对测量结果的准确性以及正确性具有至关重要的作用。
因此，示波器探头是测量系统的重要组成部分。
2 探头的定义及工作原理
示波器探头是连接信号源与示波器输入端的某种设备或网络，其目的是通过建立信号源与示波器之间的物理和电子连接，提供更为方便优质的测试通道，以达到最大程度保证被测信号的完整性和正确性的要求。
示波器探头有很多种类，根据使用功能特点可分为电压探头和电流探头；根据电路组成原理可分为有源探头和无源探头。
在实际使用中，最常见最广泛的就是无源探头[2]。
无源探头由导线和连接器制成，不含有源器件（晶体管或放大器），因此不需为探头供电。
在需要补偿或衰减时，还包括电阻器和电容器。
无源电压探头的结构形式是电阻分压电容补偿的电路，这样的结构不仅能扩展工作频带宽度，而且其分压电阻扩展了示波器的量程，图1所示为探头RC补偿电路。
这样，探头具有较大的过载能力，而且可以工作到比较高的频率。
3 探头的使用及注意事项
3.1 负载效应
当探头加载到被测电路上，探头成为被测电路的一部分，探头的输入阻抗相对于被测电路形成额外负载，反作用于被测电路，对稳定的被测信号造成干扰，致使被测信号发生变化。
若负载效应的影响足够大，就会得到不准确的测量结果。
通常探头的负载效应包括以下三个方面：
（1）阻性负载效应，相当于在被测电路上并联了一个电阻，对被测信号有分压的作用，影响被测信号的幅度和直流偏置。
（2）容性负载效应，相当于在被测电路上并联了一个电容，对被测信号有滤波的作用，影响被测信号的转换时间，影响传输互连通道的带宽。
（3）感性负载效应，其来源于探头地线的电感效应，地线电感与容性负载和阻性负载形成谐振，使显示的被测信号上出现振铃。
为了保证测量的准确性，需要减轻探头对被测电路的负载效应，不至于影响到被测信号。
一般应选择探头的阻抗大于10倍被测电路输出阻抗，以保证小于10%的幅度误差；探头的电容负载尽量小，以减小对被测信号边沿的影响。
3.2 阻抗匹配
阻抗是电压和电流之比，若忽略测量仪器对被测电路的影响，测量结果应该和未接测量仪器时一致。
当连接测量仪器时，必须满足测量仪器的输入阻抗与被测电路（信号源）的输出阻抗相匹配，才能够保证测试通道上获得最大传输功率。
对于纯电阻电路，阻抗不存在幅角，应使负载阻值与源阻值相等，即它们的模与辐角分别相等；对于非纯电阻电路，应使负载阻抗的共轭值与源阻抗的共轭值相等，即它们的模相等且辐角之和为零。
如果阻抗不匹配的话，测量到的波形将会变形。
因此在使用探头之前，需要调节探头上的电容来对其阻抗匹配部分进行调节。
对于高输入阻抗的示波器，应选用×10的探头；对于低输入阻抗的示波器，应选用50Ω输入阻抗的探头或者低电容的有源探头。
3.3 带宽和上升时间
和示波器一样，探头也有一定的频带宽度，其带宽是导致响应输出幅度衰减3dB所对应频率。
在很多情况下，带宽由脉冲上升时间验证来保证最小失真。
当探头加载到测量电路上，相当于在示波器的输入电容上并联一个电容，增大测试系统的输入电容，从而显示的上升时间变大。
而带宽和上升时间的乘积接近0.35，因此有：
测量系统的总带宽变小了。
使用探头应注意探头与示波器的带宽关系，应保证探头带宽大于等于示波器的带宽。
对于测量纯正弦信号，探头的带宽应高于被测信号频率的最高值；对于测量非正弦信号，探头的带宽应能包含被测信号的基波和重要谐波分量。
3.4 使用注意事项
（1）使用探头前必须对其进行校准和校验，调整探头的衰减补偿以减小测量误差。
（2）探头的地线必须与被测电路的地端良好连接，避免在悬浮状态下，设备间或设备与大地间的电位差发生放电，造成探头或其他设备的损坏。
（3）测量快速脉冲或高频信号时，尽量缩短接地线的长度，避免测量信号产生过冲或振铃。
4 上升时间的测量误差分析
在标准条件下，连接线缆、负载、电源变化等带来误差影响可忽略不计，并且人眼的视觉误差可以通过重复测量取平均值来尽可能减小。
所以这里只考虑示波器/探头组成的测试系统的上升时间引入的误差。
设定被测脉冲的上升时间为t，根据公式：
可知，当测试系统的上升时间为被测脉冲上升时间的1/3时，
引入的测量误差为：
而当测试系统的上升时间为被测脉冲上升时间的1/5时，可计算出测量误差为1.98%。
同理还可计算出其他比率条件下的测量误差，如表1所示。
表1：测试系统上升时间的比率与测量误差的关系
探头上升
时间比率 1 1/2 1/3 1/5 1/7
测量误差 41.1% 11.8% 5.4% 1.9% 1.02%
由此可知：当测试系统的上升时间越小（即带宽越宽），测试系统上升时间所造成的测量误差越小。
因此，示波器系统的带宽至少是被测脉冲频率的3～5倍以上，才能不失真的测得完整脉冲。
5 结论
探头在脉冲参数测量中起着不可替代的作用，同时为了保证测量结果的准确性，就要求必须最大限度地降低探头对被测电路的影响。
因此根据被测信号的特性合理选择探头是保证示波器高精度测量的关键。
精确的测量要求示波器和探头的系统带宽至少是被测信号的3～5倍。
同时，尽可能使用低输入电容及短地线。
另外无源探头在使用前一定要进行补偿。
只有与示波器和被测电路都匹配良好的探头，才是测量选用的最佳探头。
参考文献
[1]王志田.无线电电子学计量（上册）[M].北京：原子能出版社，2002：243-312.
[2]周英航.探头的原理及种类[Z].2006.
[3]Fisherpan：教你认识示波器探头[Z]. 2010.
作者单位
中国电子科技集团公司第二十研究所计量检测中心陕西省西安市 710068。
