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如何對用在示波器上的電纜或探頭進行校正
2015-09-09
為方便討論，本文中所用的術(shù)語 "校準(zhǔn)（Calibration）"和"校正（Correction）"在某種程度上是通用的，只不過校準(zhǔn)的含義偏重在校正的設(shè)置過程，校正的含義偏重結(jié)果，換句話說，校準(zhǔn)過程結(jié)束后，將校準(zhǔn)結(jié)果施加到被測信號上就是校正。
"探頭"和"電纜"都被稱作示波器的附件，作用是將被測信號連接到示波器輸入端，但他們在實際測量中的電氣表現(xiàn)有本質(zhì)的區(qū)別。探頭一旦將被測信號和示波器連接起來，其承擔(dān)的作用是盡可能不影響被測器件自身，也就是說，被測器件的電壓或電流該怎樣走就怎樣走，但或多或少，仍會有少量信號能量會進入探頭，所以說，探頭會或多或少'偷取'被測器件的信號能量，理想情況下是，'偷取'的越少越好，最好一點都不'偷';電纜則完全不同，電纜一旦將被測信號和示波器連接起來，被測信號會完全經(jīng)過電纜，從一個點傳輸?shù)搅硪粋€點。換句話說，理想的探頭不會將被測信號背負(fù)或偷到自己身上，它只是一個電路的'偷窺者',盡量不影響被測對象，理想的電纜則將被測信號完全背負(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現(xiàn)探頭和電纜的校正時，牢記上述區(qū)別才能事半功倍。典型的探頭包括有源探頭、無源探頭、差分探頭、引線以及接地延長引線，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。
世界上沒有理想的探頭，因此明白一旦使用探頭，它就會從被測對象中或多或少地'偷取'信號，改變了被測對象的行為，你必須把探頭及其附件對被測對象的影響考慮進去。在本文中，Vsource 表示未連接探頭市的電路信號電壓，Vin 表示探頭連上后的電路信號電壓，該電壓包含了探頭帶來的影響（探頭效應(yīng)），是探頭最前端位置處的信號，Vout 表示經(jīng)過該探頭輸出端傳遞給示波器輸入端的信號。理解這些信號對于探頭校正的討論十分重要。
直流校正方法
示波器廠家一般都可對探頭作最基本的校正--探頭增益和探頭偏置調(diào)整。探頭增益校正是通過調(diào)整示波器的刻度設(shè)置，以匹配對應(yīng)的直流值。換言之，儀器通過縮放垂直軸（電壓軸）來迫使Vsource 與Vout 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"探頭補償"或"校準(zhǔn)輸出"信號）的源阻抗是 0 Ω，所以Vsource = Vin（探頭負(fù)載不會對電路造成影響）。注意，示波器在所有頻率上應(yīng)用增益校正（而非僅限于直流頻率），以實現(xiàn)匹配。
直流校正表現(xiàn)為一條簡單的直線，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（通常稱為"探頭補償"或"校準(zhǔn)輸出"信號）。儀器在校準(zhǔn)開始后會輸出已知的直流電壓，并對比經(jīng)過探頭后在示波器輸入端的信號值。技術(shù)上說，確定增益和偏置系數(shù)m和b,只需施加兩個直流點，這對示波器不是個問題，事實上，示波器能夠施加更多的直流點。這些系數(shù)隨時間漂移的幅度通常不會太大，因此每年進行幾次探頭直流校準(zhǔn)就已足夠。
交流校正方法
示波器帶寬目前已經(jīng)提升到幾個甚至幾十個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高端探頭不再可靠。"交流校正"指針對探頭特性隨頻率變化這一特點的校正方案，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，頻率接近帶寬時開始出現(xiàn)電平衰減，在帶寬對應(yīng)的頻點（又成為-3dB點）上，信號電平衰減到原有信號的70.7% ,這樣的平坦頻響特性可最大限度降低加載到所連接電路上的負(fù)載（參見圖 1a 和 1b）。探頭負(fù)載屬于復(fù)合阻抗，理想情況下為無窮大，這樣探頭不會對被測電路造成任何影響。但探頭制造商由于當(dāng)前物理學(xué)及其他方面的限制，無法生產(chǎn)出理想的探頭。堅固可用的探頭都有一定的物理尺寸，這會直接影響探頭的負(fù)載和頻響特征，而選用什么材料和何種設(shè)計則與成本相關(guān)。
圖 1a 理想探頭的頻率響應(yīng)：最高可達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 E2675A 探頭）的探頭輸入阻抗。理想探頭在所有頻率上均具備最大阻抗
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比例，問題在于采用哪個輸入--Vin 還是 Vsource?換句話說，應(yīng)當(dāng)選擇探頭輸入端的電壓還是被測器件的電壓（未連接探頭時）？這個問題一度引發(fā)了示波器廠商之間的爭論。詳情可參閱安捷倫應(yīng)用指南 1491 和 Tektronix 技術(shù)簡報 60W-18324-0。使用 Vsource 似乎是一個不錯的選擇，因為這代表沒有連接探頭時的信號（某種意義上指原始被測器件）。使用 Vsource 則需要已知被測器件的源阻抗，如不知就假定一個值。采用 Vsource 來確定探頭響應(yīng)的示波器廠家通常假設(shè)源阻抗為 25 Ω--這個假設(shè)有機會是對的，但有更大的機會是不對的，不同的被測器件特性不一樣。被測器件的阻抗很多時候無法知道或?qū)嶋H測量，即使可以測量，也不是每一個探頭使用者都理解其對測量的影響。使用 Vin來表征探頭響應(yīng)不需要假定被測器件的阻抗，避免了前提假設(shè)錯誤，因此可更精確地測量和評估被測對象，雖然該表征將探頭負(fù)載效應(yīng)包含了進去。將探頭作為"黑盒"系統(tǒng)進行表征，唯一可行的方法是避開'被測器件阻抗'和 Vsrc這兩個參數(shù)，刻意要使用Vsrc 來定義探頭頻響實際上擴展了"黑盒"的概念，將被測器件也納到了黑盒中了。由于這個細(xì)微而重要的考慮，不同廠商的校正方案也將有所不同。
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