高频示波器探棒频宽需要校正吗

高速数位发展的今日，不管是数位示波器或Probe（探针或探棒）的速度与频宽都已高达数十个GHz，有些工程师拿到了这么高频的数位示波器与探棒，经常就去随意地量测一个高频的数位信号，发现信号并不如预期的形状，马上在脑海中出现“是否数位示波器的频宽不够”并没有想到“所配备的高频探棒频宽不够”。示波器刚校正过，那么探棒是否也需要校正？

一般人对示波器所配备的探针并不是非常的注意其规格与其影响，也就是说他将示波器的探针随便匹配使用。当然并不是不同两家厂商的示波器与探针不能混着用，也不是不同频宽的示波器与探针不能混着用。不管前面的问题如何，如果有机会下次再来说明此问题，本文要探讨的是如何确定一支高频宽探针（探棒）的频宽是正确足够的。

频宽与Risetime

因为怕各位读者一下子就进入了解校正高频探棒频宽的原理会较困难，先从校正示波器频宽的原理开始，然后再把探棒加入系统中，再来谈校正高频探棒频宽的原理。

校正探棒所使用的示波器频宽必须比待校探棒的频宽宽约4～5倍，所以使用于校正高频探棒频宽（此处举例校正Tektronix P6248频宽1.5Hz以上的差动探棒）的示波器频宽必须比待校探棒的频宽更宽才行。所以在以下文章中使用于校正P6248高频探棒的高频示波器为Tektronix 11801C+SD24，频宽高达20GHz，也可以使用新型的Tektronix TDS8000+80E04取样示波器。

示波器所使用探针（探棒）的种类繁多，但是所使用的Probe一定是感应电压的探针。虽然，示波器可以接一种量电流的探棒，其实此种探针，探针头有装置一种霍尔效应元件，先将电流的信号转换成电压信号，示波器才可以做显示，所以示波器也是以电压显示电流。

Active高频示波器探棒也是感应电压的探针，只是它与Passive探棒不同的是，它在探棒的针头最前端以放大器先将信号放大。且因为测量的信号频率太高，阻抗容易变化而会影响到量测值，所以量测与校正时必须注意输入端的阻抗匹配。

首先以校正示波器频宽（BW）来说明频宽与Risetime的关系。校正示波器BW时比较简单可以以sine wave直接输入到示波器量测频宽（以50kHz为参考信号），此种方法为直接校正法，而以Risetime测量方法则是第二种变通的间接校正法。第二种方法是间接由公式“频宽（BW）MHz"350nS(Risetime”将量测到的Risetime换算成频宽，当然如果量测不慎的话误差会变得很大。因为量测的系统是以(公式一)换算来转换出待测示波器的Risetime。

《公式一》


而且在量测Risetime的10％与90％的位置时容易产生相对的误差，所以不确定度会变得很大。换算公式中会牵涉到输出源（Source）的Risetime容易产生额外的误差。那为何这个换算的公式分母是350nS而不是其他的数字？如果分母是其他的数字那么前面叙述的Risetime测量方法误差就会改变而不同了。

常用的这个公式其实并不是每一台示波器都符合的，这个公式的曲线我们通称它为高斯曲线（Gaussian），曲线会因使用的Filter不同而有不同的值。依据下面列表，可知不同的高斯Filter会有不同的数值，如(表一)所示。

表一　不同的高斯Filter所产生的不同数值

由表一中可以看出频宽计算公式其实只是Single pole Filter的一种而已。因为以前的类比示波器大都是如此设计，也因为它简单好用，且一般厂商示波器的设计并不会偏离它太多。

当然第一种量测方法直接输入sinewave，也会有误差。但是当频率到达GHz以上时因为待测仪器与信号源VSWR的不匹配误差会变大，很少使用直接输入sinewave做量测频宽的判定，使用第二种量测方法测试会比较方便。但是第二种量测方法的问题是在校正的过程中看不到每一个频率相对于振幅（Amplitude）的变化，只能得到最后的结果是否达到所标示的规格。举一个1GHz示波器为例子，如果得到的结果是Risetime"350pS，换算成频宽（BW）"1GHz。这是依据频宽（BW）MHz"350nS(Risetime理想的高斯曲线换算所得，但是事实上厂商所设计的示波器与探棒并不一定遵循此理想的曲线。

有的可能是设成频宽（BW）MHz"400nS(Risetime，那么频宽（BW）"1GHz的仪器其Risetime"400pS，如果以第二种Rise time测量方法量测BW时，需要输入一个Risetime很快且曲线很好的脉冲（Pulse）信号源。由富立叶知道信号的Risetime愈快，其所含盖的频宽愈宽。当然最理想的是输入一个Risetime＝0的脉冲电流（impulse），那么所含盖的频宽将会是无穷大。事实上这是不可能的事，所以使用第二种Risetime测量方法尽量让脉冲信号源的Risetime不影响到待测物的量测值。因为以前面所叙述一个系统的总频宽公式（Risetime），如(公式二)所示。

《公式二》


如果Tr（Source）该项可以忽略，则Tr（Measure）＝Tr（Scope）。

利用Fast pulse做示波器频宽测试

示波器第二种频宽的检查步骤如下，接线图如(图一)。

(设定示波器为50Ω系统输入，如果示波器不为50Ω系统，加入一个50Ω之匹配器使示波器为50Ω系统。现在的高频数位示波器都会有50Ω，1MΩ2种输入端，可以不需要外加一个50Ω之匹配器，只要直接切换到50Ω之设定即可。

(再加入一个1MHz、Ristime＝150pS（Wavetek 9500＋9530输出）（如果有更快的Pluse更好），500mVp-p之Step pulse波（步级波，其实就是有＋上升缘的突波或方波）。

(调整数位示波器使得到最适合的信号大小，然后按下数位示波器的Risetime量测功能，示波器显示为Risetime＝Tr（Measure）pS，根据上面公式就得到该示波器之频宽。

《图一　示波器频宽检查接线图》


由(公式二)的换算可知，如果Tsource很小，则Tr（Measure）＝Tscope。但如果Tsource也很大，而就会影响到Tscope的量测值。所以除非确定Tsource Risetime很小，不然不要用Risetime的方法来测量。

(图二)是以Wavetek 9500+9530的Edge mode输出150pS的pulse到Tektronix数位示波器TDS540量测到的Risetime＝561pS（BW＝400/0.561＝713MHz），经公式二换算得到（561）2＝Tr（Scope）2＋（150）2，Tr（Scope）＝540pS，再换算成BW＝740MHz。可以看出Tr（Source）的误差影响程度，如果频宽较小的示波器用这种方法误差会很大，这种方法较适合于频率较高的示波器。以100MHz的示波器来说10MHz的误差就是10％，但是20MHz的误差对500MHz的示波器来说只有4％。

《图二　以Risetime量测频宽》


利用Fast pulse做探棒频宽测试

要求证或校正高频探棒的频宽，所使用的示波器的频宽必须要更高才行，最少要大5倍以上。也就是说校正2GHz的高频探棒必须要使用10GHz或更高的示波器。所以在此使用Tektronix11801C+SD24的取样示波器，如(图三)，此示波器的频宽高达20GHz。Tektronix11801C是主机，主要的工作是显示出SD24取样后的信号波形，它可以各插入4个SD24，每个SD24有2个Channel。

《图三　Tektronix11801C+SD24取样示波器》


而SD24的功能则是取样信号，其取样率只有200kS/s，但是11801C利用「重覆取样」的原理与「取样点与取样点间补差线段」的原理，可以使频宽高达20GHz以上。另外一个SD24的重要功能为；它每个Channel可以输出一个500mVP-P而Risetime＜17.5pS的pulse。这种能在同一个Channel同时打出pulse并取样收回的反射信号的功能，称为TDR。这个原理是大家熟知的雷达原理，雷达利用发射出一个左旋极化的pulse，碰到物体收回右旋极化的反射波pulse，反射波pulse的大小与时间差可以算出物体的大小与距离。入射的左旋极化的pulse与反射的右旋极化波是不相干扰的。

因为SD24有此2种功能所以可以利用其CH1输出17.5pS的pulse（不使用CH1的取样功能），将此信号取代前面的Wavetek 9500+9530信号源。而让CH2只使用取样功能，不产生pulse。使用一台Tektronix11801C+SD24就可以取代前面的Wavetek 9500+9530信号源与待测示波器（此处将示波器当测试仪器，后面会将示波器+Pulse产生器当做一系统来测试探棒）。

前面讲过只要Risetime求错，换算回来的频宽也会有误差。现在使用的不是简单的一台示波器而已，而是一个测量系统，含有示波器与Pulse产生器，必须先求出系统的Risetime（Tr（S）），才可以减去量测的误差，接线图如(图四)。

《图四　求出系统Risetime接线图》


然后再将待测的探棒加入系统中，测量探棒的Risetime，其接线如(图五)。当然我们会量测到一个系统＋探棒的Risetime（Tr（S+P）），此值减去系统的Risetime（tS），就是真正的探棒Risetime值Tr（P）。

Tr（P）2＝Tr（S+P）2－Tr（S）2然后再将（BW）MHz"400nS(Rise time换算出来。

《图五　将探棒加入系统求出Risetime（Tr（S+P））》


以下的测试是校正Tektronix P6248 differential probe的例子，其-3dB的保证（Warranty）频宽为1.5GHz，而一般性（Typical）频宽为1.7GHz。以Risetime(400nS/（BW）MHz换算成得到Risetime(265pS。以上述的理论验证此探棒的频宽。


系统的架设与信号的量测

先求出测试系统的Risetime

使用50( cable将系统的Tek11801C+SD24与Tek1103如(图四)连接起来。实体的架设图如(图三)。

因为TekSD24有发射pulse与接收信号2种功能，我们将CH1设定为发射pulse的信号源，而不启动其取样的接收功能（不显示取样信号波形）。CH2只启动其取样的接收功能（显示取样信号波形）。

Tek11801C+SD24的仪器其设定按钮如下：

(示波器重新还原成原厂的设定：UTILITY＞Initialize＞Initialize

(设定各Channel的功能：Waveform＞Sampling Head fuc's＞Mainframe

＞1＞TDR preset＞EXIT＞此时SD24面板的2个灯会亮（红灯与黄灯）

（蓝色字的为实体的按键，黑色字的为在萤幕的软体键）

(r)按下SD24面板CH2的小按钮，见(图三)，使CH2启动其示波器显示功能（只有黄灯会亮，黄灯亮表示启动示波器显示功能）。

(按下SD24面板CH1的小按钮2次，使CH1取消其示波器显示功能。（2个亮灯会熄灭黄灯只有红灯亮，红灯亮表示启动发射pulse的功能）。此时SD24 CH1为发射状态，CH2为接收状态。


Tek1103只是一个提供独立的Active Probe不需要依附固定的数位示波器提供其电源，而可以将其接触的信号转接到其他示波器显示的功能。因为Active Probe是必须要有电源供应给探棒，探棒才能工作，因为不是每一种厂牌都会在示波器的面板提供相同的探棒电源供应，为了要使Tektronix的Active probe能使用于其他厂牌的示波器或面板没有探棒电源的示波器，Tek1103是一个很好的转接器。其实Tek1103只是将探棒输入端短路到Tek1103的输出端而已。

Tek1103的接线步骤：

(此处使用Tek1103的CH1，所以将SD24 CH1的发射信号以50( cable接到Tek1103的CH1的Probe输入端。将Tek1103的CH1的输出端接到SD24 CH2的输入端。

(设定Tek11801C的量测功能：

Measure＞Risetime＞EXIT＞此时11801C萤光幕左下角会出Risetime的量测值

(r)再按下萤光幕左下Risetime的方格，可以设定示波器量测10％～90％的设定。

(调整垂直与水平旋钮使信号上升缘以最适当的大小显示在11801C萤光幕上。

会得到系统的Risetime Tr（S）值，如(图六)所示。

《图六　系统Risetime Tr（S）值》


再加入探棒测试出整个系统＋Probe的Risetime

将前面的50( cable置换成待测探棒如(图五)。因为Probe Tip要转换成能接到TekSD24 CH2的出端（SMA的接头），需要一个Probe Tip转BNC与BNC转SMA的转接头。然后重覆先前的步骤调整信号上升缘以最适当的大小显示在11801C萤光幕上。会量测到系统＋Probe的Risetime Tr（S+P）值，如(图七)。

《图七　系统＋Probe的Risetime　Tr(S+P)值》


依据(图六)（Risetime＝93pS）与(图七)（Risetime＝253pS）的数值代入公式Tr（P）2＝Tr（S+P）2－Tr（S）2得到真正的Probe Risetime Tr（P）＝(64009－8649＝235pS，换算成频宽是1.702GHz此规格符合该公司所发布的产品资料。

结论

数位示波器所配备的高频Probe（探针或探棒）必须要校正。校正的方法与注意事项已在前面叙述了，当然可以不使用以上建议的仪器，改用其他厂牌的仪器，只要符合前面的规格与方法即可确定探棒的频宽是正确足够的。

当然有时会怀疑量测一个高频的数位信号发现信号为何不如预期的形状，而呈现奇奇怪怪的波形呢？

这个问题主要是不会善用高频Probe（探针或探棒）所配置的一堆奇奇怪怪的Tip转接头与接地接头与接线，因为这些接头与接线可以减少外在的干扰信号与量测时高频信号产生的泄漏，以至于怀疑高频探棒的频宽是否足够。相同的道理在前面文章中如果将Probe Tip转BNC的转接头随便用其他的转接头代替，可能也要怀疑此高频探棒的频宽是否足够？探棒的种类繁多，其所配备的组件奇奇怪怪，如果应用不当反而会产生许多的误会。