如何對用在示波器上的電纜或探頭進行校正
2015-09-09
為方便討論，本文中所用的術語 "校準（Calibration）"和"校正（Correction）"在某種程度上是通用的，只不過校準的含義偏重在校正的設置過程，校正的含義偏重結果，換句話說，校準過程結束后，將校準結果施加到被測信號上就是校正。
"探頭"和"電纜"都被稱作示波器的附件，作用是將被測信號連接到示波器輸入端，但他們在實際測量中的電氣表現有本質的區別。探頭一旦將被測信號和示波器連接起來，其承擔的作用是盡可能不影響被測器件自身，也就是說，被測器件的電壓或電流該怎樣走就怎樣走，但或多或少，仍會有少量信號能量會進入探頭，所以說，探頭會或多或少'偷取'被測器件的信號能量，理想情況下是，'偷取'的越少越好，最好一點都不'偷';電纜則完全不同，電纜一旦將被測信號和示波器連接起來，被測信號會完全經過電纜，從一個點傳輸到另一個點。換句話說，理想的探頭不會將被測信號背負或偷到自己身上，它只是一個電路的'偷窺者',盡量不影響被測對象，理想的電纜則將被測信號完全背負到自己身上然后傳遞到示波器輸入端。在考慮用什么方法實現探頭和電纜的校正時，牢記上述區別才能事半功倍。典型的探頭包括有源探頭、無源探頭、差分探頭、引線以及接地延長引線，典型的電纜則是兩端帶有連接頭的50歐姆或75歐姆的傳輸線，連接頭可以是BNC、SMA、SMP或N頭等形式。
世界上沒有理想的探頭，因此明白一旦使用探頭，它就會從被測對象中或多或少地'偷取'信號，改變了被測對象的行為，你必須把探頭及其附件對被測對象的影響考慮進去。在本文中，Vsource 表示未連接探頭市的電路信號電壓，Vin 表示探頭連上后的電路信號電壓，該電壓包含了探頭帶來的影響（探頭效應），是探頭最前端位置處的信號，Vout 表示經過該探頭輸出端傳遞給示波器輸入端的信號。理解這些信號對于探頭校正的討論十分重要。
直流校正方法
示波器廠家一般都可對探頭作最基本的校正--探頭增益和探頭偏置調整。探頭增益校正是通過調整示波器的刻度設置，以匹配對應的直流值。換言之，儀器通過縮放垂直軸（電壓軸）來迫使Vsource 與Vout 匹配（僅適用于直流）。以安捷倫示波器為例，其內部直流電壓源（一般是其"探頭補償"或"校準輸出"信號）的源阻抗是 0 Ω，所以Vsource = Vin（探頭負載不會對電路造成影響）。注意，示波器在所有頻率上應用增益校正（而非僅限于直流頻率），以實現匹配。
直流校正表現為一條簡單的直線，即y = mx + b;要確定增益和偏置系數，用戶將給定探頭前端連接到儀器的校準信號（通常稱為"探頭補償"或"校準輸出"信號）。儀器在校準開始后會輸出已知的直流電壓，并對比經過探頭后在示波器輸入端的信號值。技術上說，確定增益和偏置系數m和b,只需施加兩個直流點，這對示波器不是個問題，事實上，示波器能夠施加更多的直流點。這些系數隨時間漂移的幅度通常不會太大，因此每年進行幾次探頭直流校準就已足夠。
交流校正方法
示波器帶寬目前已經提升到幾個甚至幾十個GHz 的水平，探頭的特性與頻率息息相關，因此直流校正方法對高端探頭不再可靠。"交流校正"指針對探頭特性隨頻率變化這一特點的校正方案，目的在于將探頭特性調整地與"理想探頭"一致。理想探頭在直流到帶寬這一頻率范圍內，具有很平坦的頻響，頻率接近帶寬時開始出現電平衰減，在帶寬對應的頻點（又成為-3dB點）上，信號電平衰減到原有信號的70.7% ,這樣的平坦頻響特性可最大限度降低加載到所連接電路上的負載（參見圖 1a 和 1b）。探頭負載屬于復合阻抗，理想情況下為無窮大，這樣探頭不會對被測電路造成任何影響。但探頭制造商由于當前物理學及其他方面的限制，無法生產出理想的探頭。堅固可用的探頭都有一定的物理尺寸，這會直接影響探頭的負載和頻響特征，而選用什么材料和何種設計則與成本相關。
圖 1a 理想探頭的頻率響應：最高可達到探頭帶寬的平坦響應，在超出探頭帶寬范圍具有高衰減
圖 1b Agilent PrecisionProbe 圖顯示了1169A 探頭放大器（配有 E2675A 探頭）的探頭輸入阻抗。理想探頭在所有頻率上均具備最大阻抗
如何定義探頭的頻率響應？頻率響應必須是輸入與輸出的某個比例，問題在于采用哪個輸入--Vin 還是 Vsource?換句話說，應當選擇探頭輸入端的電壓還是被測器件的電壓（未連接探頭時）？這個問題一度引發了示波器廠商之間的爭論。詳情可參閱安捷倫應用指南 1491 和 Tektronix 技術簡報 60W-18324-0。使用 Vsource 似乎是一個不錯的選擇，因為這代表沒有連接探頭時的信號（某種意義上指原始被測器件）。使用 Vsource 則需要已知被測器件的源阻抗，如不知就假定一個值。采用 Vsource 來確定探頭響應的示波器廠家通常假設源阻抗為 25 Ω--這個假設有機會是對的，但有更大的機會是不對的，不同的被測器件特性不一樣。被測器件的阻抗很多時候無法知道或實際測量，即使可以測量，也不是每一個探頭使用者都理解其對測量的影響。使用 Vin來表征探頭響應不需要假定被測器件的阻抗，避免了前提假設錯誤，因此可更精確地測量和評估被測對象，雖然該表征將探頭負載效應包含了進去。將探頭作為"黑盒"系統進行表征，唯一可行的方法是避開'被測器件阻抗'和 Vsrc這兩個參數，刻意要使用Vsrc 來定義探頭頻響實際上擴展了"黑盒"的概念，將被測器件也納到了黑盒中了。由于這個細微而重要的考慮，不同廠商的校正方案也將有所不同。
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