如何對用在示波器上的電纜或探頭進(jìn)行校正

　　所有廠(chǎng)商都會(huì )對高帶寬探頭方案應用頻率相關(guān)的"標稱(chēng)值"或工廠(chǎng)校正方案。校正方法會(huì )根據所連接探頭的型號或配置而變化，但確定校正的一般流程是相同的。在探頭和示波器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，廠(chǎng)商會(huì )對同一組器件執行非常精確的測量，并對特征求平均值，創(chuàng )建一個(gè)代表探頭和示波器系統的校正濾波器。所有探頭都應用相同的標稱(chēng)值校正，不考慮探頭序列號或條件。它僅校正系統設計和制造缺陷，不能校正漂移帶來(lái)的誤差或個(gè)體隨機差異性帶來(lái)的誤差。要運用這種校正方法，示波器用戶(hù)只需確保探頭系統配置正確，剩余工作可自動(dòng)完成，該方法沒(méi)有什么不便之處。

　　由廠(chǎng)商執行的高級交流校正方法

　　進(jìn)一步改進(jìn)校正精度的方法已經(jīng)出現，由示波器廠(chǎng)家執行，廠(chǎng)家在生產(chǎn)探頭的時(shí)候，對每個(gè)探頭器件進(jìn)行獨立測量，得到其特征參數，然后創(chuàng )建針對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 )分析儀測量每個(gè) InfiniiMax III 探頭放大器的 S 參數（用于描述線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )電氣特性的參數，通常應用于射頻領(lǐng)域），并將這些參數存儲到探頭放大器的存儲器中。與使用探頭標稱(chēng)值校正不同，當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應的S參數，對測量結果進(jìn)行校正。與標稱(chēng)值校正相比，即使生產(chǎn)過(guò)程導致個(gè)體特性不同，這種校正方法也能修正，能夠顯著(zhù)提高精度，且不會(huì )為示波器用戶(hù)帶來(lái)任何額外的不便。如欲了解 S 參數的更多信息，請參閱安捷倫應用指南 AN 154.

　　以上校準都在工廠(chǎng)完成，沒(méi)有考慮探頭出廠(chǎng)后可能出現的探測系統變化。為此，安捷倫指定了"僅適用于探頭本身"的特征和技術(shù)指標，示波器用戶(hù)可以單獨對這些指標進(jìn)行驗證，以確保探頭的性能與出廠(chǎng)時(shí)一致。謹慎的儀器用戶(hù)應當采用廠(chǎng)商推薦的驗證方法，定期驗證儀器精度。

　　除了工廠(chǎng)校準個(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證過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行預期與校正。首先一個(gè)變數是，探頭與被測器件的接觸部位，也就是探頭最前端，這些都是無(wú)源附件。另一個(gè)變數是，部分示波器用戶(hù)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(chǎng)校正，非廠(chǎng)家提供的探頭前端連接不包含工廠(chǎng)提供的 S 參數，因此需要更為精確的校正/校準流程。

　　由用戶(hù)執行的高級交流校正方法

　　由用戶(hù)執行的交流校準是確保精確探測測量的最后一個(gè)校正步驟，也是最精確的校正。安捷倫提供 N2809A PrecisionProbe 軟件和硬件套件。借助 N2809A PrecisionProbe,示波器用戶(hù)現在能夠執行從探頭最前端到示波器輸入端的精確系統級完整交流校準。校準僅需一個(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)快速邊沿信號以全面量測 Vsource、Vin 和 Vout（包括探頭負載效應），并將探頭系統對應的S參數測量結果輸入到其對應的校正濾波器中，從而完成此次校準。

　　用戶(hù)希望花在設置和校準上的時(shí)間盡可能少，但又要保證探頭測量精度被校正，同時(shí)保持使用的靈活性。例如，用戶(hù)希望可以自由選擇交流校準方法，不管是與Vout/Vsource 探頭響應表征方法對應，還是與Vout/Vin這一方法對應，安捷倫的精密探頭和電纜工具都可以輕松做到，從而結束關(guān)于探頭響應理論的無(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(hù)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，該工具和交流校準軟件可以生成阻抗圖和頻響圖，因此用戶(hù)可以直觀(guān)地了解探頭系統的實(shí)際性能，并根據自身的測量需求，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(hù)使用精密探頭和電纜交流校正的實(shí)用性。由于在探頭最前端處會(huì )產(chǎn)生較大的探測變數，用戶(hù)使用長(cháng)線(xiàn)探頭附件時(shí)，例如安捷倫長(cháng)線(xiàn) ZIF 解決方案（配有 N5451A探針的 N5425A 探頭），必須盡量控制導線(xiàn)長(cháng)度和方位。否則，工廠(chǎng)校正方法可能因為探頭物理尺寸和空間方位的細微差別而導致測量精度降低。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(hù)可以選擇最適合的探頭物理尺寸和方位--不管導線(xiàn)是長(cháng)或短，兩個(gè)測量點(diǎn)的距離是遠或近--都可以根據實(shí)情選擇合適的連接附件和方式，隨后對這一探頭連接系統進(jìn)行校準和校正，從而獲得極其精確的測量結果。

圖 2 安捷倫提供由用戶(hù)執行的交流校準（PrecisionProbe），可改進(jìn) 1169A 探頭放大器（配有 N5425A 探測頭和 N5451A 長(cháng)線(xiàn) ZIF 探針）的測量精度

　　探頭廠(chǎng)商在 -3 dB 上指定帶寬，但這并不意味著(zhù)高于其帶寬的頻率信息會(huì )被完全濾除，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 E2675A 差分探頭。該探頭在 -3 dB 時(shí)的官方標稱(chēng)帶寬為 6 GHz,但其頻率響應直至11 GHz 時(shí)才出現明顯滾降（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E2675A 探頭前端的帶寬提升至 11 GHz ,代價(jià)是本底噪聲僅增加 20%,但能夠提供更精確的上升時(shí)間測量，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 E2675A 探測頭包含超出其指定 -3dB 帶寬點(diǎn)的信號內容（淺藍色軌跡）

圖 3b 與 1169A 配合使用的 E2675A 可使用 PrecisionProbe 提高帶寬，以便更精確地追蹤快速邊沿。

　　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。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

　　探頭校正的陷阱

　　在選擇探頭校正方法時(shí)，應當避免多種錯誤理念和陷阱，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(hù)交流校正。最需要注意的一個(gè)錯誤理念是認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，低質(zhì)量探頭通常具有極不平坦的頻率響應，有較大的波動(dòng)，波動(dòng)的波峰和波谷對應的頻點(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，設計欠佳的探頭一般負載效應很明顯，探頭校正無(wú)法消除該探頭與被測器件連接時(shí)產(chǎn)生的負載效應，校正只能改變已經(jīng)顯示在示波器屏幕上的信號，若信號進(jìn)入示波器之前已經(jīng)被探頭負載效應改變太多，校正也無(wú)能為力。為了獲得對被測器件影響最小的測量結果，探頭用戶(hù)應近可能選擇高輸入阻抗的探頭，同時(shí)，用戶(hù)也應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）。