為方便討論，本文中所用的術(shù)語(yǔ) “校準(zhǔn)（Calibration）”和“校正（Correction）”在某種程度上是通用的，只不過(guò)校準(zhǔn)的含義偏重在校正的設(shè)置過(guò)程，校正的含義偏重結(jié)果，換句話說(shuō)，校準(zhǔn)過(guò)程結(jié)束后，將校準(zhǔn)結(jié)果施加到被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)連接到示波器輸入端，但他們?cè)趯?shí)際測(cè)量中的電氣表現(xiàn)有本質(zhì)的區(qū)別。探頭一旦將被測(cè)信號(hào)和示波器連接起來(lái)，其承擔(dān)的作用是盡可能不影響被測(cè)器件自身，也就是說(shuō)，被測(cè)器件的電壓或電流該怎樣走就怎樣走，但或多或少，仍會(huì)有少量信號(hào)能量會(huì)進(jìn)入探頭，所以說(shuō)，探頭會(huì)或多或少‘偷取’被測(cè)器件的信號(hào)能量，理想情況下是，‘偷取’的越少越好，一點(diǎn)都不‘偷’；電纜則*不同，電纜一旦將被測(cè)信號(hào)和示波器連接起來(lái)，被測(cè)信號(hào)會(huì)*經(jīng)過(guò)電纜，從一個(gè)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)點(diǎn)。換句話說(shuō)，理想的探頭不會(huì)將被測(cè)信號(hào)背負(fù)或偷到自己身上，它只是一個(gè)電路的‘偷窺者’，盡量不影響被測(cè)對(duì)象，理想的電纜則將被測(cè)信號(hào)*背負(fù)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(shí)現(xiàn)探頭和電纜的校正時(shí)，牢記上述區(qū)別才能事半功倍。典型的探頭包括有源探頭、無(wú)源探頭、差分探頭、引線以及接地延長(zhǎng)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(méi)有理想的探頭，因此明白一旦使用探頭，它就會(huì)從被測(cè)對(duì)象中或多或少地‘偷取’信號(hào)，改變了被測(cè)對(duì)象的行為，你必須把探頭及其附件對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響考慮進(jìn)去。在本文中，V_source 表示未連接探頭市的電路信號(hào)電壓，V_in 表示探頭連上后的電路信號(hào)電壓，該電壓包含了探頭帶來(lái)的影響（探頭效應(yīng)），是探頭zui前端位置處的信號(hào)，V_out 表示經(jīng)過(guò)該探頭輸出端傳遞給示波器輸入端的信號(hào)。理解這些信號(hào)對(duì)于探頭校正的討論十分重要。

 

 

    示波器廠家一般都可對(duì)探頭作zui基本的校正——探頭增益和探頭偏置調(diào)整。探頭增益校正是通過(guò)調(diào)整示波器的刻度設(shè)置，以匹配對(duì)應(yīng)的直流值。換言之，儀器通過(guò)縮放垂直軸（電）來(lái)迫使V_source 與V_out 匹配（僅適用于直流）。以安捷倫示波器為例，其內(nèi)部直流電壓源（一般是其“探頭補(bǔ)償”或“校準(zhǔn)輸出”信號(hào)）的源阻抗是 0 Ω，所以V_source = V_in（探頭負(fù)載不會(huì)對(duì)電路造成影響）。注意，示波器在所有頻率上應(yīng)用增益校正（而非于直流頻率），以實(shí)現(xiàn)匹配。

 

    直流校正表現(xiàn)為一條簡(jiǎn)單的直線，即y = mx + b；要確定增益和偏置系數(shù)，用戶將給定探頭前端連接到儀器的校準(zhǔn)信號(hào)（通常稱為“探頭補(bǔ)償”或“校準(zhǔn)輸出”信號(hào)）。儀器在校準(zhǔn)開始后會(huì)輸出已知的直流電壓，并對(duì)比經(jīng)過(guò)探頭后在示波器輸入端的信號(hào)值。技術(shù)上說(shuō),確定增益和偏置系數(shù)m和b，只需施加兩個(gè)直流點(diǎn)，這對(duì)示波器不是個(gè)問(wèn)題，事實(shí)上，示波器能夠施加更多的直流點(diǎn)。這些系數(shù)隨時(shí)間漂移的幅度通常不會(huì)太大，因此每年進(jìn)行幾次探頭直流校準(zhǔn)就已足夠。

 

 

 

    示波器帶寬目前已經(jīng)提升到幾個(gè)甚至幾十個(gè)GHz 的水平，探頭的特性與頻率息息相關(guān)，因此直流校正方法對(duì)探頭不再可靠。“交流校正”指針對(duì)探頭特性隨頻率變化這一特點(diǎn)的校正方案，目的在于將探頭特性調(diào)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(nèi)，具有很平坦的頻響，頻率接近帶寬時(shí)開始出現(xiàn)電平衰減，在帶寬對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)（又成為-3dB點(diǎn)）上，信號(hào)電平衰減到原有信號(hào)的70.7% ，這樣的平坦頻響特性可zui大限度降低加載到所連接電路上的負(fù)載（參見(jiàn)圖 1a 和 1b）。探頭負(fù)載屬于復(fù)合阻抗，理想情況下為無(wú)窮大，這樣探頭不會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成任何影響。但探頭制造商由于當(dāng)前物理學(xué)及其他方面的限制，無(wú)法生產(chǎn)出理想的探頭。堅(jiān)固可用的探頭都有一定的物理尺寸，這會(huì)直接影響探頭的負(fù)載和頻響特征，而選用什么材料和何種設(shè)計(jì)則與成本相關(guān)。

 

圖 1a 理想探頭的頻率響應(yīng)：zui高可達(dá)到探頭帶寬的平坦響應(yīng)，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 E267 探頭）的探頭輸入阻抗。理想探頭在所有頻率上均具備zui大阻抗

 

    如何定義探頭的頻率響應(yīng)？頻率響應(yīng)必須是輸入與輸出的某個(gè)比例，問(wèn)題在于采用哪個(gè)輸入——V_in 還是 V_source？換句話說(shuō)，應(yīng)當(dāng)選擇探頭輸入端的電壓還是被測(cè)器件的電壓（未連接探頭時(shí)）？這個(gè)問(wèn)題一度引發(fā)了示波器廠商之間的爭(zhēng)論。詳情可參閱安捷倫應(yīng)用指南 1491 和 Tektronix 技術(shù)簡(jiǎn)報(bào) 60W-18324-0 [1, 2]。使用 V_source 似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)檫@代表沒(méi)有連接探頭時(shí)的信號(hào)（某種意義上指原始被測(cè)器件）。使用 V_source 則需要已知被測(cè)器件的源阻抗，如不知就假定一個(gè)值。采用 V_source 來(lái)確定探頭響應(yīng)的示波器廠家通常假設(shè)源阻抗為 25 Ω——這個(gè)假設(shè)有機(jī)會(huì)是對(duì)的，但有更大的機(jī)會(huì)是不對(duì)的，不同的被測(cè)器件特性不一樣。被測(cè)器件的阻抗很多時(shí)候無(wú)法知道或?qū)嶋H測(cè)量，即使可以測(cè)量，也不是每一個(gè)探頭使用者都理解其對(duì)測(cè)量的影響。使用 V_in來(lái)表征探頭響應(yīng)不需要假定被測(cè)器件的阻抗，避免了前提假設(shè)錯(cuò)誤，因此可更地測(cè)量和評(píng)估被測(cè)對(duì)象，雖然該表征將探頭負(fù)載效應(yīng)包含了進(jìn)去。將探頭作為“黑盒”系統(tǒng)進(jìn)行表征，*可行的方法是避開‘被測(cè)器件阻抗’和 V_src這兩個(gè)參數(shù)，刻意要使用V_src 來(lái)定義探頭頻響實(shí)際上擴(kuò)展了“黑盒”的概念，將被測(cè)器件也納到了黑盒中了。由于這個(gè)細(xì)微而重要的考慮，不同廠商的校正方案也將有所不同。

 

    所有廠商都會(huì)對(duì)高帶寬探頭方案應(yīng)用頻率相關(guān)的“標(biāo)稱值”或工廠校正方案。校正方法會(huì)根據(jù)所連接探頭的型號(hào)或配置而變化，但確定校正的一般流程是相同的。在探頭和示波器開發(fā)過(guò)程中，廠商會(huì)對(duì)同一組器件執(zhí)行非常的測(cè)量，并對(duì)特征求平均值，創(chuàng)建一個(gè)代表探頭和示波器系統(tǒng)的校正濾波器。所有探頭都應(yīng)用相同的標(biāo)稱值校正，不考慮探頭序列號(hào)或條件。它僅校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造缺陷，不能校正漂移帶來(lái)的誤差或個(gè)體隨機(jī)差異性帶來(lái)的誤差。要運(yùn)用這種校正方法，示波器用戶只需確保探頭系統(tǒng)配置正確，剩余工作可自動(dòng)完成，該方法沒(méi)有什么不便之處。

 

 

 

    進(jìn)一步改進(jìn)校正精度的方法已經(jīng)出現(xiàn)，由示波器廠家執(zhí)行，廠家在生產(chǎn)探頭的時(shí)候，對(duì)每個(gè)探頭器件進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，得到其特征參數(shù)，然后創(chuàng)建針對(duì)這一特定探頭的校正濾波器。事實(shí)上，我們使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量每個(gè) InfiniiMax III 探頭放大器的 S 參數(shù)（用于描述線性網(wǎng)絡(luò)電氣特性的參數(shù)，通常應(yīng)用于射頻領(lǐng)域），并將這些參數(shù)存儲(chǔ)到探頭放大器的存儲(chǔ)器中。與使用探頭標(biāo)稱值校正不同，當(dāng)探頭連接到安捷倫示波器時(shí)，示波器可以馬上讀出該探頭前端放大器對(duì)應(yīng)的S參數(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。與標(biāo)稱值校正相比，即使生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致個(gè)體特性不同，這種校正方法也能修正，能夠顯著提高精度，且不會(huì)為示波器用戶帶來(lái)任何額外的不便。如欲了解 S 參數(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱安捷倫應(yīng)用指南 AN 154。

 

　　以上校準(zhǔn)都在工廠完成，沒(méi)有考慮探頭出廠后可能出現(xiàn)的探測(cè)系統(tǒng)變化。為此，安捷倫了“僅適用于探頭本身”的特征和技術(shù)指標(biāo)，示波器用戶可以單獨(dú)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保探頭的性能與出廠時(shí)一致。謹(jǐn)慎的儀器用戶應(yīng)當(dāng)采用廠商推薦的驗(yàn)證方法，定期驗(yàn)證儀器精度。

 

　　除了工廠校準(zhǔn)個(gè)體誤差之外，還有許多其它因素也會(huì)明顯改變探頭的特性，這些因素在探頭的制造和驗(yàn)證過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行預(yù)期與校正。首先一個(gè)變數(shù)是，探頭與被測(cè)器件的接觸部位，也就是探頭zui前端，這些都是無(wú)源附件。另一個(gè)變數(shù)是，部分示波器用戶會(huì)自己定制探頭或連接附件，這些探頭附件沒(méi)有經(jīng)過(guò)工廠校正，非廠家提供的探頭前端連接不包含工廠提供的 S 參數(shù)，因此需要更為的校正/校準(zhǔn)流程。

 

 

　　由用戶執(zhí)行的交流校準(zhǔn)是確保探測(cè)測(cè)量的zui后一個(gè)校正步驟，也是zui的校正。安捷倫提供 N2809A PrecisionProbe 軟件和硬件套件。借助 N2809A PrecisionProbe，示波器用戶現(xiàn)在能夠執(zhí)行從探頭zui前端到示波器輸入端的系統(tǒng)級(jí)完整交流校準(zhǔn)。校準(zhǔn)僅需一個(gè)探頭夾具和三根SMA電纜，不必使用任何額外的儀器。示波器輸出一個(gè)快速邊沿信號(hào)以全面量測(cè) V_source、V_in 和 V_out（包括探頭負(fù)載效應(yīng)），并將探頭系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果輸入到其對(duì)應(yīng)的校正濾波器中，從而完成此次校準(zhǔn)。

 

　　用戶希望花在設(shè)置和校準(zhǔn)上的時(shí)間盡可能少，但又要保證探頭測(cè)量精度被校正，同時(shí)保持使用的靈活性。例如，用戶希望可以自由選擇交流校準(zhǔn)方法，不管是與V_out/V_source　探頭響應(yīng)表征方法對(duì)應(yīng)，還是與V_out/V_in這一方法對(duì)應(yīng)，安捷倫的精密探頭和電纜工具都可以輕松做到，從而結(jié)束關(guān)于探頭響應(yīng)理論的無(wú)休止辯論。安捷倫的精密探頭和電纜校正工具可以將用戶的探頭性能校正到更高的帶寬，但注意提升帶寬會(huì)同時(shí)增加噪聲，該工具和交流校準(zhǔn)軟件可以生成阻抗圖和頻響圖，因此用戶可以直觀地了解探頭系統(tǒng)的實(shí)際性能，并根據(jù)自身的測(cè)量需求，在本底噪聲與帶寬等性能方面取折衷和平衡。　

 

　　這里列舉幾個(gè)案例，用以闡述用戶使用精密探頭和電纜交流校正的實(shí)用性。由于在探頭zui前端處會(huì)產(chǎn)生較大的探測(cè)變數(shù)，用戶使用長(zhǎng)線探頭附件時(shí)，例如安捷倫長(zhǎng)線 ZIF 解決方案（配有 N5451A 探針的 N542 探頭），必須盡量控制導(dǎo)線長(zhǎng)度和方位。否則，工廠校正方法可能因?yàn)樘筋^物理尺寸和空間方位的細(xì)微差別而導(dǎo)致測(cè)量精度降低。通過(guò)交流校正方法（例如精密探頭和電纜 PrecisionProbe技術(shù)），探頭用戶可以選擇的探頭物理尺寸和方位——不管導(dǎo)線是長(zhǎng)或短，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的距離是遠(yuǎn)或近——都可以根據(jù)實(shí)情選擇合適的連接附件和方式，隨后對(duì)這一探頭連接系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和校正，從而獲得極其的測(cè)量結(jié)果。

 

圖 2 安捷倫提供由用戶執(zhí)行的交流校準(zhǔn)（PrecisionProbe），可改進(jìn) 1169A 探頭放大器（配有 N542 探測(cè)頭和 N5451A 長(zhǎng)線 ZIF 探針）的測(cè)量精度

 

探頭廠商在 -3 dB 上帶寬，但這并不意味著高于其帶寬的頻率信息會(huì)被*濾除，很多時(shí)候只是被衰減的幅度加大而已，因此這些探頭可以以噪聲增加為代價(jià)來(lái)提升帶寬，例如 Agilent E267 差分探頭。該探頭在 -3 dB 時(shí)的*標(biāo)稱帶寬為 6 GHz，但其頻率響應(yīng)直至11 GHz 時(shí)才出現(xiàn)明顯滾降（如 PrecisionProbe 校正軟件所示）。使用安捷倫的精密探頭和電纜校正工具可以將E267 探頭前端的帶寬提升至 11 GHz ，代價(jià)是本底噪聲僅增加 20%，但能夠提供更的上升時(shí)間測(cè)量，因此您多了一個(gè)選擇，在需要的時(shí)候可以將探頭帶寬提升。

 

圖 3a PrecisionProbe 圖中，與 1169A 放大器配合使用的 Agilent E267 探測(cè)頭包含超出其 -3dB 帶寬點(diǎn)的信號(hào)內(nèi)容（淺藍(lán)色軌跡）

 

圖 3b 與 1169A 配合使用的 E267 可使用 PrecisionProbe 提高帶寬，以便更地追蹤快速邊沿。黃色軌跡表示未提高帶寬的探頭，此時(shí)探頭無(wú)法追蹤 11 GHz 輸入信號(hào)。通過(guò) PrecisionProbe 提高帶寬后的同一個(gè)探頭（橙色軌跡）能夠更清晰地展示信號(hào)

 

 

　　在選擇探頭校正方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免多種錯(cuò)誤理念和陷阱，這些理念和陷阱影響所有的校正方法，包括直流校正、交流校正以及用戶交流校正。zui需要注意的一個(gè)錯(cuò)誤理念是認(rèn)為探頭校正可以一定程度地改進(jìn)低質(zhì)量探頭，這是一個(gè)誤區(qū)，低質(zhì)量探頭通常具有極不平坦的頻率響應(yīng)，有較大的波動(dòng)，波動(dòng)的波峰和波谷對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)若明顯低于探頭帶寬，在這些頻點(diǎn)上校正探頭頻響副作用會(huì)非常明顯，就是本底噪聲大幅增加，很多時(shí)候是不可取的。

 

另外，設(shè)計(jì)欠佳的探頭一般負(fù)載效應(yīng)很明顯，探頭校正無(wú)法消除該探頭與被測(cè)器件連接時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)，校正只能改變已經(jīng)顯示在示波器屏幕上的信號(hào)，若信號(hào)進(jìn)入示波器之前已經(jīng)被探頭負(fù)載效應(yīng)改變太多，校正也無(wú)能為力。為了獲得對(duì)被測(cè)器件影響zui小的測(cè)量結(jié)果，探頭用戶應(yīng)近可能選擇高輸入阻抗的探頭，同時(shí)，用戶也應(yīng)了解用軟件的方法提升帶寬通常會(huì)帶來(lái)噪聲增加的后果（如圖 4 所示）。

圖 4 E267探頭帶寬提升會(huì)產(chǎn)生額外的測(cè)量噪聲。顯示屏顯示儀器在10 mV/格靈敏度時(shí)捕獲的 100 ns的V_RMS 數(shù)據(jù)

 

憑借特定的探頭響應(yīng)定義及其校正方案，示波器能夠在屏幕上顯示上升時(shí)間短于實(shí)際被測(cè)信號(hào)的波形。例如，如果采用 V_out/V_source 探頭響應(yīng)定義，V_in 可能會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值以補(bǔ)償探頭負(fù)載效應(yīng)，但仍然會(huì)產(chǎn)生平坦響應(yīng)。在這種情況下，當(dāng)信號(hào)通過(guò)探頭時(shí)高頻內(nèi)容會(huì)會(huì)得到放大（相對(duì)于低頻內(nèi)容），并且探頭響應(yīng)會(huì)得到提升以補(bǔ)償因探頭負(fù)載導(dǎo)致的頻率下滑。這會(huì)“凸顯”快速邊沿的高頻內(nèi)容，使其獲得似乎高于被測(cè)信號(hào)（V_in）的速度。一些用戶希望看到被測(cè)器件具有快速的邊沿，但他們必須認(rèn)識(shí)到探測(cè)系統(tǒng)所顯示的可能并不是實(shí)際狀況。通由用戶可操作的交流校準(zhǔn)（例如 Agilent PrecisionProbe），示波器用戶可以輕松地選擇探頭響應(yīng)的定義方法，避免不必要的理論爭(zhēng)吵；圖 5 顯示了采用V_out/V_src 和 V_out/V_in 定義方法的探頭響應(yīng)。

圖 ：PrecisionProbe 頻率響應(yīng)圖顯示了已校正傳遞函數(shù)的高頻峰值，探頭響應(yīng)通過(guò) V_src 確定（深藍(lán)色軌跡）

 

圖 5b 相同探頭的上升時(shí)間差異，響應(yīng)采用多種方法計(jì)算。使用V_in 確定探頭響應(yīng)的黃色軌跡波形已校正，而橙色軌跡波形使用的是V_src。橙色波形的下降時(shí)間要比實(shí)際被測(cè)信號(hào)快

 

　　用戶可操作的交流校正方法是使用夾具對(duì)用戶的探頭進(jìn)行校準(zhǔn)和校正，因此校正時(shí)使用的探頭設(shè)置和附件必須盡可能與實(shí)際設(shè)置一致，否則校正可能是無(wú)意義的，也就是說(shuō)，校正和實(shí)際測(cè)試時(shí)，所使用的探頭、前端或附件長(zhǎng)度與空間方位間隔應(yīng)該*相同。

 

　　探頭校正方法十分復(fù)雜，并且其復(fù)雜程度將隨著探頭和示波器性能的增強(qiáng)而加深。校正方法有三個(gè)進(jìn)階，入門進(jìn)階是用戶定期對(duì)探頭進(jìn)行直流校準(zhǔn)，第二進(jìn)階是使用由工廠完成的交流校正方法來(lái)改進(jìn)測(cè)量精度。第三進(jìn)階，也就是對(duì)于探頭要求很高的用戶，是使用用戶可操作的交流校準(zhǔn)（即 安捷倫的 Precision Probe套件），以改進(jìn)測(cè)量并降低探測(cè)工作的復(fù)雜程度。了解不同的探頭校正方法及其細(xì)微差別可以確保探頭用戶獲得zui高的測(cè)量保真度。