示波器電壓探頭衰減比測量結果的不確定度評定

【摘要】 電壓探頭作為示波器最主要的一類配套設備，在各類測量里都有十分廣泛的應用。有些電壓探頭的衰減比是固定的，有些則是在一定動態范圍內可調。本文選取了特定的測量實例，詳細的介紹了衰減比測量結果的不確定度評定方法，以供相關從業人員參考使用。

【關鍵詞】 電壓探頭;衰減比;不確定度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.02.017

The Evaluation of Uncertainty of Mearsurement Result of Oscilloscope Voltage Probes

LI Fan

（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： Voltage probe is widely used in all kinds of measurement，as being the most important auxiliary equipment of oscilloscope. The attenuation ratio of some kinds of voltage probes is fixed，while others are adjustable in a certain dynamic range. A specific measurement example is selected in this paper，and the uncertainty evaluation method of attenuation ratio measurement results is introduced in details，so as to provide reference for relevant practitioners.

Key words： voltage probe;attenuation ratio;uncertainty

示波器是電學計量，特別是電子學（無線電）計量領域使用最為廣泛的儀器之一，在信號的時域分析領域有著不可替代的作用。在使用示波器進行測量時，電壓探頭是非常重要的一類配套設備，可以將不同傳輸線形式中的電壓信號按照一定規律轉換為同軸電壓信號，提供給示波器進行測量。

按照是否包含有源器件區分，示波器探頭一般分為有源探頭和無緣探頭，其中有源探頭里又分為非差分探頭和差分探頭。差分探頭指的是具有一正一負兩個輸入端和單獨地線的有源探頭。由于差分探頭具備抗干擾能力強、能夠抑制EMI、時序定位精度高等特點，幾乎成為了示波器的標配。

1 概述

1.1 測量依據

測量依據JJF 1437-2013《示波器電壓探頭校準規范》進行。

1.2 測量標準

多功能標準源、數字多用表、匹配電阻等。

1.3 測量方法

按照圖1所示連接標準設備和被測儀器，設置多功能標準源的直流輸出電壓，從數字多用表上直接讀取電壓測量值，按照公式（1）進行計算，得到衰減比。

考慮到電壓探頭的輸出電阻和數字多用表的輸入電阻通常不匹配，在兩者之間要加入匹配電阻以獲得更高的測量準確度。

2 數學模型及不確定度傳播率

2.1 數學模型

[a=AinAout] （1）

其中：a——探頭衰減比，無量綱量;

Ain——輸入電壓;

Aout——輸出電壓。

2.2 不確定度傳播率

[u2ca=c21u2Ain+c22u2Aout] （2）

2.3 靈敏系數

[c1=1Aout]，[c2=AinA2out]

3 標準不確定度評定

需先評定計算出u（Ain）和u（Aout），然后得到u（a）。

3.1 輸出電壓的的不確定度u（Aout）

u（Aout）的來源主要有測量重復性，讀數分辨力、匹配電阻偏差和數字多用表的測量偏差等幾項。

3.1.1 測量重復性引入的不確定度u1

設置電壓探頭衰減比為10，多功能標準源直流輸出10 V，采用A類方法評定，重復測量10次，數據如表1所示。

采用單次測量值（1.011V）作為測量結果，根據貝塞爾公式計算得：

需要指出的是，在計算合成標準不確定度時，需要比較測量重復性引入的不確定度分量和讀數分辨力引入的不確定度分量的大小，取較大者進行計算。根據工作經驗及參考本單位作業指導書，測量衰減比時，一般情況下讀數分辨力引入的不確定度分量相對更小，所以本文省略相應計算過程，直接采用作業指導書結論進行評定。

3.1.2 數字多用表測量不準引入的不確定度u2

數字多用表在1V量程時的MPE為±1×10-4，服從均勻分布，u2=10×1×10-5÷[3]=0.000058 V。

3.1.3 電阻匹配偏差引入的的不確定度u3

測量1 V時，匹配電阻的MPE為±0.05%，服從均勻分布，u3=1×0.05%÷[3]=0.00029 V。

各個分量彼此不具備相關性，則

3.2 輸入電壓的的不確定度u（Ain）

u（Ain）的來源是多功能標準源的測量偏差，10 V量程時的MPE為±1×10-5，服從均勻分布，u（Ain）=10×1×10-5÷[3]=0.000058 V。

4 標準不確定度匯總

5 合成標準不確定度uc（a）

將上述各值帶入到不確定度傳播率公式，計算得到：

6 合成標準不確定度

取k=2，U=uc（a）×2=0.02

即衰減比標稱值為10，實際測量值為9.90時，擴展不確定度為0.02，k=2。

【參考文獻】

[1] 王嶸瑜.數字多用表測量結果的不確定度評定[J].計量與測試技術，2019（7）：117-118.

[2] 楊麗.電阻分壓箱法校準多功能標準源直流電壓的測量不確定度評定[J].品牌與標準化，2020（3）：34-37.

[3] 倪玉才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國質檢出版社，2016.

[4] 示波器電壓探頭校準規范：JJF 1437-2013[S].

【作者簡介】

李凡（1983-），男，高級工程師，學士，研究方向為計量檢測技術、不確定度的理論分析與實際應用。