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如何對(duì)用在示波器上的電纜或探頭進(jìn)行校正
2015-09-09
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，最好一點(diǎn)都不'偷';電纜則完全不同，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)完全經(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)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(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，Vsource 表示未連接探頭市的電路信號(hào)電壓，Vin 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)），是探頭最前端位置處的信號(hào)，Vout 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。
直流校正方法
示波器廠家一般都可對(duì)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(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（電壓軸）來(lái)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(bǔ)償"或"校準(zhǔn)輸出"信號(hào)）的源阻抗是 0 Ω，所以Vsource = Vin（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（而非僅限于直流頻率），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。
交流校正方法
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)高端探頭不再可靠。"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最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)：最高可達(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 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(gè)比例，問(wèn)題在于采用哪個(gè)輸入--Vin 還是 Vsource?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。使用 Vsource 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 Vsource 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 Vsource 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 Vin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，因此可更精確地測(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，唯一可行的方法是避開'被測(cè)器件阻抗'和 Vsrc這兩個(gè)參數(shù)，刻意要使用Vsrc 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。
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