如何對用在示波器上的電纜或探頭進(jìn)行校正

　　所有廠商都會對高帶寬探頭方案應(yīng)用頻率相關(guān)的"標(biāo)稱值"或工廠校正方案。校正方法會根據(jù)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。在探頭和示波器開發(fā)過程中，廠商會對同一組器件執(zhí)行非常精確的測量，并對特征求平均值，創(chuàng)建一個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，不考慮探頭序列號或條件。它僅校正系統(tǒng)設(shè)計和制造缺陷，不能校正漂移帶來的誤差或個體隨機(jī)差異性帶來的誤差。要運用這種校正方法，示波器用戶只需確保探頭系統(tǒng)配置正確，剩余工作可自動完成，該方法沒有什么不便之處。

　　由廠商執(zhí)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(xiàn)，由示波器廠家執(zhí)行，廠家在生產(chǎn)探頭的時候，對每個探頭器件進(jìn)行獨立測量，得到其特征參數(shù)，然后創(chuàng)建針對這一特定探頭的校正濾波器。事實上，我們使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量每個 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)存儲到探頭放大器的存儲器中。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，示波器可以馬上讀出該探頭前端放大器對應(yīng)的S參數(shù)，對測量結(jié)果進(jìn)行校正。與標(biāo)稱值校正相比，即使生產(chǎn)過程導(dǎo)致個體特性不同，這種校正方法也能修正，能夠顯著提高精度，且不會為示波器用戶帶來任何額外的不便。如欲了解 S 參數(shù)的更多信息，請參閱安捷倫應(yīng)用指南 AN 154.

　　以上校準(zhǔn)都在工廠完成，沒有考慮探頭出廠后可能出現(xiàn)的探測系統(tǒng)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(biāo)，示波器用戶可以單獨對這些指標(biāo)進(jìn)行驗證，以確保探頭的性能與出廠時一致。謹(jǐn)慎的儀器用戶應(yīng)當(dāng)采用廠商推薦的驗證方法，定期驗證儀器精度。

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

　　由用戶執(zhí)行的高級交流校正方法

　　由用戶執(zhí)行的交流校準(zhǔn)是確保精確探測測量的最后一個校正步驟，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,示波器用戶現(xiàn)在能夠執(zhí)行從探頭最前端到示波器輸入端的精確系統(tǒng)級完整交流校準(zhǔn)。校準(zhǔn)僅需一個探頭夾具和三根SMA電纜，不必使用任何額外的儀器。示波器輸出一個快速邊沿信號以全面量測 Vsource、Vin 和 Vout（包括探頭負(fù)載效應(yīng)），并將探頭系統(tǒng)對應(yīng)的S參數(shù)測量結(jié)果輸入到其對應(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)上的時間盡可能少，但又要保證探頭測量精度被校正，同時保持使用的靈活性。例如，用戶希望可以自由選擇交流校準(zhǔn)方法，不管是與Vout/Vsource 探頭響應(yīng)表征方法對應(yīng)，還是與Vout/Vin這一方法對應(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，但注意提升帶寬會同時增加噪聲，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)的實際性能，并根據(jù)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。

　　這里列舉幾個案例，用以闡述用戶使用精密探頭和電纜交流校正的實用性。由于在探頭最前端處會產(chǎn)生較大的探測變數(shù)，用戶使用長線探頭附件時，例如安捷倫長線 ZIF 解決方案（配有 N5451A探針的 N5425A 探頭），必須盡量控制導(dǎo)線長度和方位。否則，工廠校正方法可能因為探頭物理尺寸和空間方位的細(xì)微差別而導(dǎo)致測量精度降低。通過交流校正方法（例如精密探頭和電纜 PrecisionProbe技術(shù)），探頭用戶可以選擇最適合的探頭物理尺寸和方位--不管導(dǎo)線是長或短，兩個測量點的距離是遠(yuǎn)或近--都可以根據(jù)實情選擇合適的連接附件和方式，隨后對這一探頭連接系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和校正，從而獲得極其精確的測量結(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 N5425A 探測頭和 N5451A 長線 ZIF 探針）的測量精度

　　探頭廠商在 -3 dB 上指定帶寬，但這并不意味著高于其帶寬的頻率信息會被完全濾除，很多時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來提升帶寬，例如 Agilent E2675A 差分探頭。該探頭在 -3 dB 時的官方標(biāo)稱帶寬為 6 GHz,但其頻率響應(yīng)直至11 GHz 時才出現(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E2675A 探頭前端的帶寬提升至 11 GHz ,代價是本底噪聲僅增加 20%,但能夠提供更精確的上升時間測量，因此您多了一個選擇，在需要的時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 帶寬點的信號內(nèi)容（淺藍(lán)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，此時探頭無法追蹤 11 GHz 輸入信號。通過 PrecisionProbe 提高帶寬后的同一個探頭（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，應(yīng)當(dāng)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、交流校正以及用戶交流校正。最需要注意的一個錯誤理念是認(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，波動的波峰和波谷對應(yīng)的頻點若明顯低于探頭帶寬，在這些頻點上校正探頭頻響副作用會非常明顯，就是本底噪聲大幅增加，很多時候是不可取的。

　　另外，設(shè)計欠佳的探頭一般負(fù)載效應(yīng)很明顯，探頭校正無法消除該探頭與被測器件連接時產(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，若信號進(jìn)入示波器之前已經(jīng)被探頭負(fù)載效應(yīng)改變太多，校正也無能為力。為了獲得對被測器件影響最小的測量結(jié)果，探頭用戶應(yīng)近可能選擇高輸入阻抗的探頭，同時，用戶也應(yīng)了解用軟件的方法提升帶寬通常會帶來噪聲增加的后果（如圖 4 所示）。