如何对用在示波器上的电缆或探头进行校正

　　要将被测信号显示在示波器上，首先要用电缆或探头将该信号连到示波器的输入端，电缆或探头本身会带来变数和测量误差，具体带来哪些变数和误差取决于多种因素，包括被测信号的频率范围、测量时的环境温度、探头或电缆自身质量、连接方法以及老化或损毁程度。随着示波器的性能日益提高，探头变化的校正工作显得愈加重要。示波器的实时带宽愈高，对探头或电缆引入的误差进行校正的必要性愈高 .示波器行业中流行的校正方法都是用软件或固化软件来实现的，这样做，给示波器硬件技术部分提供很好的灵活性，由于现代数字示波器都使用微处理器对波形进行后处理，因此该方法几乎没有什么副作用。

　　为方便讨论，本文中所用的术语 "校准（Calibration）"和"校正（Correction）"在某种程度上是通用的，只不过校准的含义偏重在校正的设置过程，校正的含义偏重结果，换句话说，校准过程结束后，将校准结果施加到被测信号上就是校正。

　　"探头"和"电缆"都被称作示波器的附件，作用是将被测信号连接到示波器输入端，但他们在实际测量中的电气表现有本质的区别。探头一旦将被测信号和示波器连接起来，其承担的作用是尽可能不影响被测器件自身，也就是说，被测器件的电压或电流该怎样走就怎样走，但或多或少，仍会有少量信号能量会进入探头，所以说，探头会或多或少'偷取'被测器件的信号能量，理想情况下是，'偷取'的越少越好，最好一点都不'偷';电缆则完全不同，电缆一旦将被测信号和示波器连接起来，被测信号会完全经过电缆，从一个点传输到另一个点。换句话说，理想的探头不会将被测信号背负或偷到自己身上，它只是一个电路的'偷窥者',尽量不影响被测对象，理想的电缆则将被测信号完全背负到自己身上然后传递到示波器输入端。在考虑用什么方法实现探头和电缆的校正时，牢记上述区别才能事半功倍。典型的探头包括有源探头、无源探头、差分探头、引线以及接地延长引线，典型的电缆则是两端带有连接头的50欧姆或75欧姆的传输线，连接头可以是BNC、SMA、SMP或N头等形式。

　　世界上没有理想的探头，因此明白一旦使用探头，它就会从被测对象中或多或少地'偷取'信号，改变了被测对象的行为，你必须把探头及其附件对被测对象的影响考虑进去。在本文中，Vsource 表示未连接探头市的电路信号电压，Vin 表示探头连上后的电路信号电压，该电压包含了探头带来的影响（探头效应），是探头最前端位置处的信号，Vout 表示经过该探头输出端传递给示波器输入端的信号。理解这些信号对于探头校正的讨论十分重要。

　　直流校正方法

　　示波器厂家一般都可对探头作最基本的校正--探头增益和探头偏置调整。探头增益校正是通过调整示波器的刻度设置，以匹配对应的直流值。换言之，仪器通过缩放垂直轴（电压轴）来迫使Vsource 与Vout 匹配（仅适用于直流）。以安捷伦示波器为例，其内部直流电压源（一般是其"探头补偿"或"校准输出"信号）的源阻抗是 0 Ω，所以Vsource = Vin（探头负载不会对电路造成影响）。注意，示波器在所有频率上应用增益校正（而非仅限于直流频率），以实现匹配。

　　直流校正表现为一条简单的直线，即y = mx + b;要确定增益和偏置系数，用户将给定探头前端连接到仪器的校准信号（通常称为"探头补偿"或"校准输出"信号）。仪器在校准开始后会输出已知的直流电压，并对比经过探头后在示波器输入端的信号值。技术上说，确定增益和偏置系数m和b,只需施加两个直流点，这对示波器不是个问题，事实上，示波器能够施加更多的直流点。这些系数随时间漂移的幅度通常不会太大，因此每年进行几次探头直流校准就已足够。

　　交流校正方法

　　示波器带宽目前已经提升到几个甚至几十个GHz 的水平，探头的特性与频率息息相关，因此直流校正方法对高端探头不再可靠。"交流校正"指针对探头特性随频率变化这一特点的校正方案，目的在于将探头特性调整地与"理想探头"一致。理想探头在直流到带宽这一频率范围内，具有很平坦的频响，频率接近带宽时开始出现电平衰减，在带宽对应的频点（又成为-3dB点）上，信号电平衰减到原有信号的70.7% ,这样的平坦频响特性可最大限度降低加载到所连接电路上的负载（参见图 1a 和 1b）。探头负载属于复合阻抗，理想情况下为无穷大，这样探头不会对被测电路造成任何影响。但探头制造商由于当前物理学及其他方面的限制，无法生产出理想的探头。坚固可用的探头都有一定的物理尺寸，这会直接影响探头的负载和频响特征，而选用什么材料和何种设计则与成本相关。

图 1a 理想探头的频率响应：最高可达到探头带宽的平坦响应，在超出探头带宽范围具有高衰减

图 1b Agilent PrecisionProbe 图显示了1169A 探头放大器（配有 E2675A 探头）的探头输入阻抗。理想探头在所有频率上均具备最大阻抗

　　如何定义探头的频率响应？频率响应必须是输入与输出的某个比例，问题在于采用哪个输入--Vin 还是 Vsource?换句话说，应当选择探头输入端的电压还是被测器件的电压（未连接探头时）？这个问题一度引发了示波器厂商之间的争论。详情可参阅安捷伦应用指南 1491 和 Tektronix 技术简报 60W-18324-0。使用 Vsource 似乎是一个不错的选择，因为这代表没有连接探头时的信号（某种意义上指原始被测器件）。使用 Vsource 则需要已知被测器件的源阻抗，如不知就假定一个值。采用 Vsource 来确定探头响应的示波器厂家通常假设源阻抗为 25 Ω--这个假设有机会是对的，但有更大的机会是不对的，不同的被测器件特性不一样。被测器件的阻抗很多时候无法知道或实际测量，即使可以测量，也不是每一个探头使用者都理解其对测量的影响。使用 Vin来表征探头响应不需要假定被测器件的阻抗，避免了前提假设错误，因此可更精确地测量和评估被测对象，虽然该表征将探头负载效应包含了进去。将探头作为"黑盒"系统进行表征，唯一可行的方法是避开'被测器件阻抗'和 Vsrc这两个参数，刻意要使用Vsrc 来定义探头频响实际上扩展了"黑盒"的概念，将被测器件也纳到了黑盒中了。由于这个细微而重要的考虑，不同厂商的校正方案也将有所不同。[page]

　　所有厂商都会对高带宽探头方案应用频率相关的"标称值"或工厂校正方案。校正方法会根据所连接探头的型号或配置而变化，但确定校正的一般流程是相同的。在探头和示波器开发过程中，厂商会对同一组器件执行非常精确的测量，并对特征求平均值，创建一个代表探头和示波器系统的校正滤波器。所有探头都应用相同的标称值校正，不考虑探头序列号或条件。它仅校正系统设计和制造缺陷，不能校正漂移带来的误差或个体随机差异性带来的误差。要运用这种校正方法，示波器用户只需确保探头系统配置正确，剩余工作可自动完成，该方法没有什么不便之处。

　　由厂商执行的高级交流校正方法

　　进一步改进校正精度的方法已经出现，由示波器厂家执行，厂家在生产探头的时候，对每个探头器件进行独立测量，得到其特征参数，然后创建针对这一特定探头的校正滤波器。事实上，我们使用安捷伦矢量网络分析仪测量每个 InfiniiMax III 探头放大器的 S 参数（用于描述线性网络电气特性的参数，通常应用于射频领域），并将这些参数存储到探头放大器的存储器中。与使用探头标称值校正不同，当探头连接到安捷伦示波器时，示波器可以马上读出该探头前端放大器对应的S参数，对测量结果进行校正。与标称值校正相比，即使生产过程导致个体特性不同，这种校正方法也能修正，能够显着提高精度，且不会为示波器用户带来任何额外的不便。如欲了解 S 参数的更多信息，请参阅安捷伦应用指南 AN 154.

　　以上校准都在工厂完成，没有考虑探头出厂后可能出现的探测系统变化。为此，安捷伦指定了"仅适用于探头本身"的特征和技术指标，示波器用户可以单独对这些指标进行验证，以确保探头的性能与出厂时一致。谨慎的仪器用户应当采用厂商推荐的验证方法，定期验证仪器精度。

　　除了工厂校准个体误差之外，还有许多其它因素也会明显改变探头的特性，这些因素在探头的制造和验证过程中无法进行预期与校正。首先一个变数是，探头与被测器件的接触部位，也就是探头最前端，这些都是无源附件。另一个变数是，部分示波器用户会自己定制探头或连接附件，这些探头附件没有经过工厂校正，非厂家提供的探头前端连接不包含工厂提供的 S 参数，因此需要更为精确的校正/校准流程。
 

　　由用户执行的高级交流校正方法

　　由用户执行的交流校准是确保精确探测测量的最后一个校正步骤，也是最精确的校正。安捷伦提供 N2809A PrecisionProbe 软件和硬件套件。借助 N2809A PrecisionProbe,示波器用户现在能够执行从探头最前端到示波器输入端的精确系统级完整交流校准。校准仅需一个探头夹具和三根SMA电缆，不必使用任何额外的仪器。示波器输出一个快速边沿信号以全面量测 Vsource、Vin 和 Vout（包括探头负载效应），并将探头系统对应的S参数测量结果输入到其对应的校正滤波器中，从而完成此次校准。

　　用户希望花在设置和校准上的时间尽可能少，但又要保证探头测量精度被校正，同时保持使用的灵活性。例如，用户希望可以自由选择交流校准方法，不管是与Vout/Vsource 探头响应表征方法对应，还是与Vout/Vin这一方法对应，安捷伦的精密探头和电缆工具都可以轻松做到，从而结束关于探头响应理论的无休止辩论。安捷伦的精密探头和电缆校正工具可以将用户的探头性能校正到更高的带宽，但注意提升带宽会同时增加噪声，该工具和交流校准软件可以生成阻抗图和频响图，因此用户可以直观地了解探头系统的实际性能，并根据自身的测量需求，在本底噪声与带宽等性能方面取折衷和平衡。

　　这里列举几个案例，用以阐述用户使用精密探头和电缆交流校正的实用性。由于在探头最前端处会产生较大的探测变数，用户使用长线探头附件时，例如安捷伦长线 ZIF 解决方案（配有 N5451A 探针的 N5425A 探头），必须尽量控制导线长度和方位。否则，工厂校正方法可能因为探头物理尺寸和空间方位的细微差别而导致测量精度降低。通过交流校正方法（例如精密探头和电缆 PrecisionProbe技术），探头用户可以选择最适合的探头物理尺寸和方位--不管导线是长或短，两个测量点的距离是远或近--都可以根据实情选择合适的连接附件和方式，随后对这一探头连接系统进行校准和校正，从而获得极其精确的测量结果。

图 2 安捷伦提供由用户执行的交流校准（PrecisionProbe），可改进 1169A 探头放大器（配有 N5425A 探测头和 N5451A 长线 ZIF 探针）的测量精度

　　探头厂商在 -3 dB 上指定带宽，但这并不意味着高于其带宽的频率信息会被完全滤除，很多时候只是被衰减的幅度加大而已，因此这些探头可以以噪声增加为代价来提升带宽，例如 Agilent E2675A 差分探头。该探头在 -3 dB 时的官方标称带宽为 6 GHz,但其频率响应直至11 GHz 时才出现明显滚降（如 PrecisionProbe 校正软件所示）。使用安捷伦的精密探头和电缆校正工具可以将E2675A 探头前端的带宽提升至 11 GHz ,代价是本底噪声仅增加 20%,但能够提供更精确的上升时间测量，因此您多了一个选择，在需要的时候可以将探头带宽提升。

图 3a PrecisionProbe 图中，与 1169A 放大器配合使用的 Agilent E2675A 探测头包含超出其指定 -3dB 带宽点的信号内容（浅蓝色轨迹）

图 3b 与 1169A 配合使用的 E2675A 可使用 PrecisionProbe 提高带宽，以便更精确地追踪快速边沿。

　　黄色轨迹表示未提高带宽的探头，此时探头无法追踪 11 GHz 输入信号。通过 PrecisionProbe 提高带宽后的同一个探头（橙色轨迹）能够更清晰地展示信号
 

　　探头校正的陷阱

　　在选择探头校正方法时，应当避免多种错误理念和陷阱，这些理念和陷阱影响所有的校正方法，包括直流校正、交流校正以及用户交流校正。最需要注意的一个错误理念是认为探头校正可以一定程度地改进低质量探头，这是一个误区，低质量探头通常具有极不平坦的频率响应，有较大的波动，波动的波峰和波谷对应的频点若明显低于探头带宽，在这些频点上校正探头频响副作用会非常明显，就是本底噪声大幅增加，很多时候是不可取的。

　　另外，设计欠佳的探头一般负载效应很明显，探头校正无法消除该探头与被测器件连接时产生的负载效应，校正只能改变已经显示在示波器屏幕上的信号，若信号进入示波器之前已经被探头负载效应改变太多，校正也无能为力。为了获得对被测器件影响最小的测量结果，探头用户应近可能选择高输入阻抗的探头，同时，用户也应了解用软件的方法提升带宽通常会带来噪声增加的后果（如图 4 所示）。[page]

图 4 E2675A探头带宽提升会产生额外的测量噪声。显示屏显示仪器在10 mV/格灵敏度时捕获的 100 ns的VRMS 数据

　　凭借特定的探头响应定义及其校正方案，示波器能够在屏幕上显示上升时间短于实际被测信号的波形。例如，如果采用 Vout/Vsource 探头响应定义，Vin 可能会出现明显的峰值以补偿探头负载效应，但仍然会产生平坦响应。在这种情况下，当信号通过探头时高频内容会会得到放大（相对于低频内容），并且探头响应会得到提升以补偿因探头负载导致的频率下滑。这会"凸显"快速边沿的高频内容，使其获得似乎高于被测信号（Vin）的速度。一些用户希望看到被测器件具有快速的边沿，但他们必须认识到探测系统所显示的可能并不是实际状况。通由用户可操作的交流校准（例如 Agilent PrecisionProbe），示波器用户可以轻松地选择探头响应的定义方法，避免不必要的理论争吵；图 5 显示了采用Vout/Vsrc 和 Vout/Vin 定义方法的探头响应。

图 5a:PrecisionProbe 频率响应图显示了已校正传递函数的高频峰值，探头响应通过 Vsrc 确定（深蓝色轨迹）

图 5b 相同探头的上升时间差异，响应采用多种方法计算。

　　使用Vin 确定探头响应的黄色轨迹波形已校正，而橙色轨迹波形使用的是Vsrc.橙色波形的下降时间要比实际被测信号快

　　用户可操作的交流校正方法是使用夹具对用户的探头进行校准和校正，因此校正时使用的探头设置和附件必须尽可能与实际设置一致，否则校正可能是无意义的，也就是说，校正和实际测试时，所使用的探头、前端或附件长度与空间方位间隔应该完全相同。

　　探头校正方法十分复杂，并且其复杂程度将随着探头和示波器性能的增强而加深。校正方法有三个进阶，入门进阶是用户定期对探头进行直流校准，第二进阶是使用由工厂完成的交流校正方法来改进测量精度。第三进阶，也就是对于探头要求很高的用户，是使用用户可操作的交流校准（即 安捷伦的 Precision Probe套件），以改进测量并降低探测工作的复杂程度。了解不同的探头校正方法及其细微差别可以确保探头用户获得最高的测量保真度。