如何对用在示波器上的电缆或探头进行校正
2015-09-09
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。
