示波器電壓探頭校準(zhǔn)規(guī)范

1本規(guī)范規(guī)定了示波器電壓探頭的校準(zhǔn)項目、方法及結(jié)果處理，適用于各類頻率低于6GHz的示波器電壓探頭的校準(zhǔn)。JJF1057—1998數(shù)字存儲示波器校準(zhǔn)規(guī)范JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示JJF1071—2010國家計量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則GB/T15289—1994數(shù)字存儲示波器通用技術(shù)條件和測試方法凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3.1直流電壓衰減比DCattenuationr用來衡量示波器電壓探頭輸入電壓和輸出電壓之間的比率。定義為在示波器電壓探頭的測量范圍內(nèi)，輸人直流電壓與輸出直流電壓之比。3.2無源探頭passiveprobe不包含有源器件、不需要外部供電就可以正常工作的探頭。入電阻也較小，可以減小對被測電路的干擾，達(dá)到較寬的測量帶寬。非差分有源探頭的最大輸入電壓一般較小，并且需要防護(hù)靜電放電等因素對有源探頭的破壞，而有源差分探頭可以用于高電壓的差分測量。3.4差分探頭differentialprobe有一正一負(fù)兩個輸入端和單獨地線的有源探頭。輸出電壓與兩個輸人端之間的電壓差成正比。用于觀察相互作參考而不是以地電平作參考的信號，以及觀察存在大的直流偏置或其他共模成分的信號，如疊加了電源噪聲的小信號。示波器電壓探頭是使用示波器進(jìn)行測量的重要配套設(shè)備，可將不同傳輸線形式中的電壓信號按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為同軸電壓信號，提供示波器測量。按照是否包含有源器2件，示波器電壓探頭可以分為有源探頭和無源探衰減比：1:1～1000:1。最大允許誤差：±2%。6.1.1環(huán)境溫度：(23±5)℃.6.1.2環(huán)境濕度：≤80%RH。6.1.3電源電壓及頻率：(220±11)V,(50±1)Hz。6.1.4周圍無強(qiáng)電磁場干擾及無影響校準(zhǔn)系統(tǒng)正常工作的機(jī)械振動。6.2校準(zhǔn)所用計量標(biāo)準(zhǔn)、儀表設(shè)備電壓范圍：(0～1000)V;最大允許誤差：±0.1%。電壓范圍：(0～10)kV;最大允許誤差：±1%。直流電壓測量范圍：(0～1000)V;直流電壓測量最大允許誤差：±0.01%。輸出功率電平范圍：(-50～20)dBm;功率電平最大允許誤差：±1dB。3功率測量范圍：(-20～20)dBm;;;快沿幅度(峰峰值):≥0.1V。直流偏置電壓范圍：(-5～+5)V;+十+十+十上升時間++十一47.1.2外觀結(jié)構(gòu)檢查探頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該堅固可靠，探針頭部或探針、彈簧掛鉤、連接線以及電纜線物理連接完好，無破損；各開關(guān)、按鍵等應(yīng)安裝牢固，調(diào)節(jié)正常。7.1.3有源探頭供電檢查通常有源探頭是通過與示波器兼容的智能識別和電源供給接口來進(jìn)行衰減倍率識別和供電的，并能識別所接探頭類型，按需要正確設(shè)置輸入電阻、衰減比、探頭電源和偏置范圍。對于通過示波器輸入接口供電的有源探頭，檢查時應(yīng)通過配備有相應(yīng)系統(tǒng)的示波器來進(jìn)行。單獨外置電源式有源探頭要手動檢查功能是否正常。7.1.4探頭補(bǔ)償檢查使用示波器自帶校準(zhǔn)信號輸出進(jìn)行探頭補(bǔ)償檢查。將探頭設(shè)置為正常工作狀態(tài)，探頭輸出端接入示波器輸入端，探頭輸入端接示波器自帶校準(zhǔn)信號輸出信號端，凋整示波器，觀察示波器上顯示的波形，判斷該探頭目前的狀態(tài)是否為欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，并給予調(diào)整。欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償以及正常補(bǔ)償時示波器顯示波形如圖1所示。7.2直流電壓衰減比7.2.1儀器連接如圖2所示。7.2.2按照圖2所示，參照附錄A中表A.1中的輸入電壓設(shè)置精密直流電壓票或直流高壓源輸出電壓(不同的探頭選點不同)Uα,從直流電壓表(適用無源探頭或示波器(適用有源探頭)上讀出所測量直流電壓實際值Uour。并記錄于附錄A表A.1?？紤]到探頭的輸出電阻與直流電壓表輸入電阻不一定一致，所以在探頭輸出端接入直流電壓表時，需要確保直流電壓表輸入電阻與探頭輸出電阻匹配。當(dāng)探頭輸出端接人示波器時，應(yīng)先用精密直流電壓源對示波器的直流電壓測量點進(jìn)行校準(zhǔn)，使用示波器寸應(yīng)量程的修正值。探頭的直流電壓衰減比a通過公式(1)計算得出：57.3頻率響應(yīng)7.3.1儀器連接如圖3所示。圖3示波器頻率響應(yīng)校準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出正弦波信號，頻率設(shè)為50kHz,調(diào)整輸出幅度，使示波器對應(yīng)量程(連接探頭后需使用的量程)顯示信號高度為滿屏幕的80%。根據(jù)附錄A表A.2中的頻率設(shè)置，通過功率計監(jiān)測保持信號發(fā)生器輸出幅度不變，改變信號發(fā)生器輸出頻率，同時調(diào)整示波器的水平掃描系數(shù)使波形能夠與之相適應(yīng)，使用示波器的光標(biāo)功能測量當(dāng)前頻率下示波器顯示峰峰值V,并記錄在附錄A表A.2中。7.3.2信號發(fā)生器輸出端與被校準(zhǔn)探頭的輸入端之間需要通過探頭校準(zhǔn)專用夾具來連接。夾具的終端需要添加50Ω終端負(fù)載，用以與信號發(fā)生器的輸出端的匹配。探頭與7.3.3信號發(fā)生器輸出正弦波信號，頻率設(shè)為50kHz,調(diào)整輸出幅度，使示波器顯示信號高度為滿屏幕的80%。根據(jù)附錄A表A.2中的頻率設(shè)置改變信號發(fā)生器輸出頻率，通過功率計監(jiān)測保持信號發(fā)生器輸出幅度不變，同時調(diào)整示波器的水平掃描系數(shù)使波形能夠與之相適應(yīng)，使用示波器的光標(biāo)功能測量當(dāng)前頻率下示波器顯示峰峰值V”,并記入附錄A表A.2中。探頭的頻響b,按公式(2)計算：V,——未接探頭時示波器的修正值；67.4上升時間7.4.1儀器連接如圖5所示。圖5上升時間校準(zhǔn)7.4.2設(shè)置快沿信號發(fā)生器輸出電壓峰峰值為1V或者最大輸出幅度，調(diào)示波器，使顯示波形能夠滿足測量要求，使用示波器的上升時間測量功能測量當(dāng)前波形的上升時間，并記入附錄A表A.3中。7.5.1儀器連接如圖6所示。圖6輸入電阻校準(zhǔn)7.5.2將探頭輸出端接入到相應(yīng)匹配阻抗的示波器輸入端，然后使用電阻測式儀測量被校準(zhǔn)探頭的輸入電阻，讀出測量值，并記人附錄A表A.4中。校準(zhǔn)后，出具校準(zhǔn)證書。校準(zhǔn)證書由封面和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)組成。封面由校準(zhǔn)機(jī)肉確定統(tǒng)一格式，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按附錄所列數(shù)據(jù)表格，并可根據(jù)被測示波器電壓探頭的情元進(jìn)行填c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標(biāo)識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被交對象的h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進(jìn)行j)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說明；1)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明；7n)校準(zhǔn)證書簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識；o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的說明；p)未經(jīng)實驗室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。9復(fù)校時間間隔由于復(fù)校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此，送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校時間間隔。推薦復(fù)校時間間隔為1年.8該記錄表格以某給定型號的示波器電壓探頭要求為參考，給出的頻率校準(zhǔn)電平校準(zhǔn)點以及誤差限值，不同型號的示波器電壓探頭應(yīng)根據(jù)其性能測試手冊和技術(shù)指樂采用相表A.1直流電壓衰減比(以10:1為例)直流電壓衰減比125表A.2頻率響應(yīng)(以50kHz為參考點，以10:1,100MHz探未接探頭時示波器的接入探頭后示波器；測得的峰峰值/V9標(biāo)稱值/MΩ附錄B表B.1直流電壓衰減比(以10:1為例)直流電壓衰減比允許范圍論125表B.2頻率響應(yīng)(以50kHz為參考點，以10:1,100MHz探頭為例)未接探頭時示波允許范圍結(jié)論實測值/ps允許范圍結(jié)論標(biāo)稱值/MΩ實測值/MΩ允許范圍結(jié)論附錄C主要項目校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定實例兩參數(shù)明顯沒有相關(guān)性，且有10u(Uour)=u(Uxu(a)=√u2(Uiy)+100u2(Uour)精密直流電壓源的10V最大允許誤差為±0.00014V,通過探頭的10倍衰減，對根據(jù)直流電壓表的指標(biāo)，其測量1V最大誤差為±0.000047V,設(shè)測量值落在該區(qū)間內(nèi)的概率分布為均勻分布標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uy為：uy=0.000047V/√3=0.000027V=27d)匹配電阻引入的不確定度u?,貢獻(xiàn)給u(Uour)。匹配電阻的最大允許誤差可達(dá)到士0.05%,使用直流電壓表測量1V時，泛大誤差為士0.0005V。設(shè)測量值落在該區(qū)間內(nèi)的概率分布為均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確度分量u?=0.0005V/√3=0.00029V=290μVC.1.4不確定度合成a不確定度分量綜合表1正態(tài)2均勻3均勻4匹配電阻均勻b合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(a)=√u(Uw)2+100u(Uour)?=0.0031=0c擴(kuò)展不確定度包含因子k=2,相對擴(kuò)展不確定度U為：C.2頻率響應(yīng)測量不確定度C.2.1測量方法概述在測量頻率響應(yīng)時，使用信號發(fā)生器通過專用夾具輸出正弦波信號到被校探頭輸入端，然后使用示波器測量探頭的輸出電壓Vx,最后將測量結(jié)果與未接探頭示波器的修正值V。進(jìn)行對比，得到探頭在當(dāng)前頻率下的頻率響應(yīng)。為計算方便，在測試過程中，將電壓單位統(tǒng)一為dBm。C.2.2建立測量模型被校準(zhǔn)電壓探頭的頻率響應(yīng)可由公式(C.2)獲得：b=Vx+△P?+△Vs?+△Vn-(V?+△P?+△Vso+△Vro)(CVx-—接入被校準(zhǔn)電壓探頭測量頻響時示波器測得的電壓；V?——未接入被校準(zhǔn)電壓探頭后示波器測得的電壓；△P?——測量頻響時功率計引入的誤差；慮到u(Vx)和u(V)的來源完全一致，應(yīng)該有u(Vx)=u(V?),于是由公式(C.3)u(b)=√u2(Vx)+u2(V?)+2u(Vx)u(V?)=2u(Vx)(C.3)(1)功率計最大允許誤差通過校準(zhǔn)證書，根據(jù)功率計的指標(biāo)，其最大允許誤差為±0.15根據(jù)示波器的指標(biāo)以及校準(zhǔn)證書，其測量0.1V峰峰值最大誤差為±0.5%,設(shè)測(3)重復(fù)性引入的不確定度uy(4)失配引入的不確定度u:i1均勻2均勻3一4u(b)=√u2(Vx)+u2(V?)+2u(Vx)u(V?)=(3)擴(kuò)展不確定度包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度U為：C.3上升時間測量不確定度C.3.1建立測量模型在測量上升時間時，使用快沿信號發(fā)生器輸出快沿信號通過夾具輸入到被交準(zhǔn)探頭輸入端，然后使用示波器測量探頭的上升時間，被校準(zhǔn)電壓探頭的上升時間訂由公式(C.4)獲得：Tx——示波器的上升時間讀數(shù)值；△T——標(biāo)準(zhǔn)器建立時間引入的修正值。C.3.2不確定度來源不確定度來源如下：a測量重復(fù)性，貢獻(xiàn)給Tx;b標(biāo)準(zhǔn)器建立時間引入的不確定度。C.3.3不確定度評定a校準(zhǔn)過程中的連接及讀數(shù)重復(fù)性u?b標(biāo)準(zhǔn)器上升時間引入的不確定度u?帶寬為12GHz的示波器上升時間小于29ps,快沿信號發(fā)生器上升時ii.也小于29ps,用于測量帶寬為1GHz的探頭上升時間時，測量吳差δ=7%,為均勻分布，因此u,=0.7%/3=0.4%。C.3.4不確定度合成a)不確定度分量綜合表iA1正態(tài)2以2標(biāo)準(zhǔn)器上升時間均勻b)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度c)擴(kuò)展不確定度電阻測試儀測量10MΩ最大允許誤差為±0.5%,為均勻分布，因此：表C.4輸入電阻測量不確定度分量綜合表i分布1正態(tài)2電阻測試儀均勻 附錄D使用示波器的FFT功能或使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)探頭的頻響D.1使用示波器的FFT功能校準(zhǔn)頻響D.1.1儀器連接如圖D.1所示示波器示波器D.1.2信號發(fā)生器輸出端與被校準(zhǔn)探頭的輸入端之間需要通過探頭校準(zhǔn)專用具來連接。注意夾具的終端需要添加50Ω終端負(fù)載，用以與信號發(fā)生器輸出端的匹已。探頭D.1.3信號發(fā)生器輸出20MHz正弦波，輸出幅度為0dBm。此時調(diào)整示波澤的垂直刻度和水平刻度，使波形幅度占據(jù)示波器屏幕80%以上且不超過滿屏幕，水刻度調(diào)整使示波器屏幕顯示多于1000個周期以上的波形。此時將示波器的采樣率設(shè)'上為最大值，開啟FFT功能，同時打開無限余輝顯示模式。D.1.4設(shè)置信號發(fā)生器輸出掃頻信號，掃頻頻率范圍為信號源最低輸出頻率：待校準(zhǔn)探頭帶寬的2倍，輸出幅度為0dBm,掃頻頻點為10000個，每個掃頻點停目時間為4ms。一個掃頻周期完成后，此時示波器屏幕上FFT的軌跡就是探頭的頻率呵應(yīng)，使用示波器的“時標(biāo)”功能，記錄探頭在各頻率點的頻率響應(yīng)。D.1.5使用此方法前，需要將信號發(fā)生器和示波器本身頻響通過校準(zhǔn)消除。D.2使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)頻響(僅限于輸出電阻為50Ω的探頭)D.2.1如圖D.2所示，通過電纜分別連接測試夾具到網(wǎng)絡(luò)分析儀的‘port1”、“port2”,使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)配件校準(zhǔn)所用網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口。母D.2.2儀器連接如圖D.3所示，對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀所用電纜以及測試夾具進(jìn)行頻率響 圖D.3歸一化校準(zhǔn)D.2.3儀器連接如圖D.4所示，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S12參數(shù)對被校準(zhǔn)探頭進(jìn)行全頻圖D.4頻率響應(yīng)校準(zhǔn)附錄E差分探頭的共模抑制比(CMRR)E.1共模抑制比簡介理想的差分放大器會對兩輸入間的差分信號進(jìn)行放大，同時抑制輸入端的共模信號。共模抑制比(CommonModeRejectionRatio,簡稱CMRR)表征了差分以大電路抑制共模信號的能力。一般來說，差分