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示波器的电缆和探头怎么校正

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。
  

   要将被测信号显示在示波器上,首先要用电缆或探头将该信号连到示波器的输入端,电缆或探头本身会带来变数和测量误差,具体带来哪些变数和误差取决于多种因素,包括被测信号的频率范围、测量时的环境温度、探头或电缆自身质量、连接方法以及老化或损毁程度。随着示波器的性能日益提高,探头变化的校正工作显得愈加重要。示波器的实时带宽愈高,对探头或电缆引入的误差进行校正的必要性愈高 .示波器行业中流行的校正方法都是用软件或固化软件来实现的,这样做,给示波器硬件技术部分提供很好的灵活性,由于现代数字示波器都使用微处理器对波形进行后处理,因此该方法几乎没有什么副作用。

  "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 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。
  所有厂商都会对高带宽探头方案应用频率相关的"标称值"或工厂校正方案。校正方法会根据所连接探头的型号或配置而变化,但确定校正的一般流程是相同的。在探头和示波器开发过程中,厂商会对同一组器件执行非常精确的测量,并对特征求平均值,创建一个代表探头和示波器系统的校正滤波器。所有探头都应用相同的标称值校正,不考虑探头序列号或条件。它仅校正系统设计和制造缺陷,不能校正漂移带来的误差或个体随机差异性带来的误差。要运用这种校正方法,示波器用户只需确保探头系统配置正确,剩余工作可自动完成,该方法没有什么不便之处。
  由厂商执行的高级交流校正方法
  进一步改进校正精度的方法已经出现,由示波器厂家执行,厂家在生产探头的时候,对每个探头器件进行独立测量,得到其特征参数,然后创建针对这一特定探头的校正滤波器。事实上,我们使用安捷伦矢量网络分析仪测量每个 InfiniiMax III 探头放大器的 S 参数(用于描述线性网络电气特性的参数,通常应用于射频领域),并将这些参数存储到探头放大器的存储器中。与使用探头标称值校正不同,当探头连接到安捷伦示波器时,示波器可以马上读出该探头前端放大器对应的S参数,对测量结果进行校正。与标称值校正相比,即使生产过程导致个体特性不同,这种校正方法也能修正,能够显着提高精度,且不会为示波器用户带来任何额外的不便。如欲了解 S 参数的更多信息,请参阅安捷伦应用指南 AN 154.
  以上校准都在工厂完成,没有考虑探头出厂后可能出现的探测系统变化。为此,安捷伦指定了"仅适用于探头本身"的特征和技术指标,示波器用户可以单独对这些指标进行验证,以确保探头的性能与出厂时一致。谨慎的仪器用户应当采用厂商推荐的验证方法,定期验证仪器精度。
  除了工厂校准个体误差之外,还有许多其它因素也会明显改变探头的特性,这些因素在探头的制造和验证过程中无法进行预期与校正。首先一个变数是,探头与被测器件的接触部位,也就是探头最前端,这些都是无源附件。另一个变数是,部分示波器用户会自己定制探头或连接附件,这些探头附件没有经过工厂校正,非厂家提供的探头前端连接不包含工厂提供的 S 参数,因此需要更为精确的校正/校准流程。

 

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