示波器电压探头衰减比测量结果的不确定度评定

【摘要】 电压探头作为示波器最主要的一类配套设备，在各类测量里都有十分广泛的应用。有些电压探头的衰减比是固定的，有些则是在一定动态范围内可调。本文选取了特定的测量实例，详细的介绍了衰减比测量结果的不确定度评定方法，以供相关从业人员参考使用。

【关键词】 电压探头;衰减比;不确定度

【DOI编码】 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

示波器是电学计量，特别是电子学（无线电）计量领域使用最为广泛的仪器之一，在信号的时域分析领域有着不可替代的作用。在使用示波器进行测量时，电压探头是非常重要的一类配套设备，可以将不同传输线形式中的电压信号按照一定规律转换为同轴电压信号，提供给示波器进行测量。

按照是否包含有源器件区分，示波器探头一般分为有源探头和无缘探头，其中有源探头里又分为非差分探头和差分探头。差分探头指的是具有一正一负两个输入端和单独地线的有源探头。由于差分探头具备抗干扰能力强、能够抑制EMI、时序定位精度高等特点，几乎成为了示波器的标配。

1 概述

1.1 测量依据

测量依据JJF 1437-2013《示波器电压探头校准规范》进行。

1.2 测量标准

多功能标准源、数字多用表、匹配电阻等。

1.3 测量方法

按照图1所示连接标准设备和被测仪器，设置多功能标准源的直流输出电压，从数字多用表上直接读取电压测量值，按照公式（1）进行计算，得到衰减比。

考虑到电压探头的输出电阻和数字多用表的输入电阻通常不匹配，在两者之间要加入匹配电阻以获得更高的测量准确度。

2 数学模型及不确定度传播率

2.1 数学模型

[a=AinAout] （1）

其中：a——探头衰减比，无量纲量;

Ain——输入电压;

Aout——输出电压。

2.2 不确定度传播率

[u2ca=c21u2Ain+c22u2Aout] （2）

2.3 灵敏系数

[c1=1Aout]，[c2=AinA2out]

3 标准不确定度评定

需先评定计算出u（Ain）和u（Aout），然后得到u（a）。

3.1 输出电压的的不确定度u（Aout）

u（Aout）的来源主要有测量重复性，读数分辨力、匹配电阻偏差和数字多用表的测量偏差等几项。

3.1.1 测量重复性引入的不确定度u1

设置电压探头衰减比为10，多功能标准源直流输出10 V，采用A类方法评定，重复测量10次，数据如表1所示。

采用单次测量值（1.011V）作为测量结果，根据贝塞尔公式计算得：

需要指出的是，在计算合成标准不确定度时，需要比较测量重复性引入的不确定度分量和读数分辨力引入的不确定度分量的大小，取较大者进行计算。根据工作经验及参考本单位作业指导书，测量衰减比时，一般情况下读数分辨力引入的不确定度分量相对更小，所以本文省略相应计算过程，直接采用作业指导书结论进行评定。

3.1.2 数字多用表测量不准引入的不确定度u2

数字多用表在1V量程时的MPE为±1×10-4，服从均匀分布，u2=10×1×10-5÷[3]=0.000058 V。

3.1.3 电阻匹配偏差引入的的不确定度u3

测量1 V时，匹配电阻的MPE为±0.05%，服从均匀分布，u3=1×0.05%÷[3]=0.00029 V。

各个分量彼此不具备相关性，则

3.2 输入电压的的不确定度u（Ain）

u（Ain）的来源是多功能标准源的测量偏差，10 V量程时的MPE为±1×10-5，服从均匀分布，u（Ain）=10×1×10-5÷[3]=0.000058 V。

4 标准不确定度汇总

5 合成标准不确定度uc（a）

将上述各值带入到不确定度传播率公式，计算得到：

6 合成标准不确定度

取k=2，U=uc（a）×2=0.02

即衰减比标称值为10，实际测量值为9.90时，扩展不确定度为0.02，k=2。

【参考文献】

[1] 王嵘瑜.数字多用表测量结果的不确定度评定[J].计量与测试技术，2019（7）：117-118.

[2] 杨丽.电阻分压箱法校准多功能标准源直流电压的测量不确定度评定[J].品牌与标准化，2020（3）：34-37.

[3] 倪玉才.实用测量不确定度评定[M].北京：中国质检出版社，2016.

[4] 示波器电压探头校准规范：JJF 1437-2013[S].

【作者简介】

李凡（1983-），男，高級工程师，学士，研究方向为计量检测技术、不确定度的理论分析与实际应用。