為方便討論，本文中所用的術語 “校準（Calibration）”和“校正（Correction）”在某種程度上是通用的，只不過校準的含義偏重在校正的設置過程，校正的含義偏重結果，換句話說，校準過程結束后，將校準結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有本質的區別。探頭一旦將被測信號和示波器連接起來，其承擔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，一點都不‘偷’；電纜則*不同，電纜一旦將被測信號和示波器連接起來，被測信號會*經過電纜，從一個點傳輸到另一個點。換句話說，理想的探頭不會將被測信號背負或偷到自己身上，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*背負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探頭和電纜的校正時，牢記上述區別才能事半功倍。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，V_source 表示未連接探頭市的電路信號電壓，V_in 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），是探頭zui前端位置處的信號，V_out 表示經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。

 

 

    示波器廠家一般都可對探頭作zui基本的校正——探頭增益和探頭偏置調整。探頭增益校正是通過調整示波器的刻度設置，以匹配對應的直流值。換言之，儀器通過縮放垂直軸（電）來迫使V_source 與V_out 匹配（僅適用于直流）。以安捷倫示波器為例，其內部直流電壓源（一般是其“探頭補償”或“校準輸出”信號）的源阻抗是 0 Ω，所以V_source = V_in（探頭負載不會對電路造成影響）。注意，示波器在所有頻率上應用增益校正（而非于直流頻率），以實現匹配。

 

    直流校正表現為一條簡單的直線，即y = mx + b；要確定增益和偏置系數，用戶將給定探頭前端連接到儀器的校準信號（通常稱為“探頭補償”或“校準輸出”信號）。儀器在校準開始后會輸出已知的直流電壓，并對比經過探頭后在示波器輸入端的信號值。技術上說,確定增益和偏置系數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就已足夠。

 

 

 

    示波器帶寬目前已經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，因此直流校正方法對探頭不再可靠。“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，具有很平坦的頻響，頻率接近帶寬時開始出現電平衰減，在帶寬對應的頻點（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zui大限度降低加載到所連接電路上的負載（參見圖 1a 和 1b）。探頭負載屬于復合阻抗，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前物理學及其他方面的限制，無法生產出理想的探頭。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載和頻響特征，而選用什么材料和何種設計則與成本相關。

 

圖 1a 理想探頭的頻率響應：zui高可達到探頭帶寬的平坦響應，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 E267 探頭）的探頭輸入阻抗。理想探頭在所有頻率上均具備zui大阻抗

 

    如何定義探頭的頻率響應？頻率響應必須是輸入與輸出的某個比例，問題在于采用哪個輸入——V_in 還是 V_source？換句話說，應當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）？這個問題一度引發了示波器廠商之間的爭論。詳情可參閱安捷倫應用指南 1491 和 Tektronix 技術簡報 60W-18324-0 [1, 2]。使用 V_source 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 V_source 則需要已知被測器件的源阻抗，如不知就假定一個值。采用 V_source 來確定探頭響應的示波器廠家通常假設源阻抗為 25 Ω——這個假設有機會是對的，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實際測量，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 V_in來表征探頭響應不需要假定被測器件的阻抗，避免了前提假設錯誤，因此可更地測量和評估被測對象，雖然該表征將探頭負載效應包含了進去。將探頭作為“黑盒”系統進行表征，*可行的方法是避開‘被測器件阻抗’和 V_src這兩個參數，刻意要使用V_src 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。由于這個細微而重要的考慮，不同廠商的校正方案也將有所不同。

 

    所有廠商都會對高帶寬探頭方案應用頻率相關的“標稱值”或工廠校正方案。校正方法會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。在探頭和示波器開發過程中，廠商會對同一組器件執行非常的測量，并對特征求平均值，創建一個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，不能校正漂移帶來的誤差或個體隨機差異性帶來的誤差。要運用這種校正方法，示波器用戶只需確保探頭系統配置正確，剩余工作可自動完成，該方法沒有什么不便之處。

 

 

 

    進一步改進校正精度的方法已經出現，由示波器廠家執行，廠家在生產探頭的時候，對每個探頭器件進行獨立測量，得到其特征參數，然后創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絡分析儀測量每個 InfiniiMax III 探頭放大器的 S 參數（用于描述線性網絡電氣特性的參數，通常應用于射頻領域），并將這些參數存儲到探頭放大器的存儲器中。與使用探頭標稱值校正不同，當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的S參數，對測量結果進行校正。與標稱值校正相比，即使生產過程導致個體特性不同，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。

 

　　以上校準都在工廠完成，沒有考慮探頭出廠后可能出現的探測系統變化。為此，安捷倫了“僅適用于探頭本身”的特征和技術指標，示波器用戶可以單獨對這些指標進行驗證，以確保探頭的性能與出廠時一致。謹慎的儀器用戶應當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行預期與校正。首先一個變數是，探頭與被測器件的接觸部位，也就是探頭zui前端，這些都是無源附件。另一個變數是，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，因此需要更為的校正/校準流程。

 

 

　　由用戶執行的交流校準是確保探測測量的zui后一個校正步驟，也是zui的校正。安捷倫提供 N2809A PrecisionProbe 軟件和硬件套件。借助 N2809A PrecisionProbe，示波器用戶現在能夠執行從探頭zui前端到示波器輸入端的系統級完整交流校準。校準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 V_source、V_in 和 V_out（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。

 

　　用戶希望花在設置和校準上的時間盡可能少，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方法，不管是與V_out/V_source　探頭響應表征方法對應，還是與V_out/V_in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，從而結束關于探頭響應理論的無休止辯論。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的實際性能，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zui前端處會產生較大的探測變數，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 N542 探頭），必須盡量控制導線長度和方位。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微差別而導致測量精度降低。通過交流校正方法（例如精密探頭和電纜 PrecisionProbe技術），探頭用戶可以選擇的探頭物理尺寸和方位——不管導線是長或短，兩個測量點的距離是遠或近——都可以根據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進行校準和校正，從而獲得極其的測量結果。

 

圖 2 安捷倫提供由用戶執行的交流校準（PrecisionProbe），可改進 1169A 探頭放大器（配有 N542 探測頭和 N5451A 長線 ZIF 探針）的測量精度

 

探頭廠商在 -3 dB 上帶寬，但這并不意味著高于其帶寬的頻率信息會被*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 E267 差分探頭。該探頭在 -3 dB 時的*標稱帶寬為 6 GHz，但其頻率響應直至11 GHz 時才出現明顯滾降（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E267 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 E267 探測頭包含超出其 -3dB 帶寬點的信號內容（淺藍色軌跡）

 

圖 3b 與 1169A 配合使用的 E267 可使用 PrecisionProbe 提高帶寬，以便更地追蹤快速邊沿。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

 

 

　　在選擇探頭校正方法時，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、交流校正以及用戶交流校正。zui需要注意的一個錯誤理念是認為探頭校正可以一定程度地改進低質量探頭，這是一個誤區，低質量探頭通常具有極不平坦的頻率響應，有較大的波動，波動的波峰和波谷對應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，設計欠佳的探頭一般負載效應很明顯，探頭校正無法消除該探頭與被測器件連接時產生的負載效應，校正只能改變已經顯示在示波器屏幕上的信號，若信號進入示波器之前已經被探頭負載效應改變太多，校正也無能為力。為了獲得對被測器件影響zui小的測量結果，探頭用戶應近可能選擇高輸入阻抗的探頭，同時，用戶也應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）。

圖 4 E267探頭帶寬提升會產生額外的測量噪聲。顯示屏顯示儀器在10 mV/格靈敏度時捕獲的 100 ns的V_RMS 數據

 

憑借特定的探頭響應定義及其校正方案，示波器能夠在屏幕上顯示上升時間短于實際被測信號的波形。例如，如果采用 V_out/V_source 探頭響應定義，V_in 可能會出現明顯的峰值以補償探頭負載效應，但仍然會產生平坦響應。在這種情況下，當信號通過探頭時高頻內容會會得到放大（相對于低頻內容），并且探頭響應會得到提升以補償因探頭負載導致的頻率下滑。這會“凸顯”快速邊沿的高頻內容，使其獲得似乎高于被測信號（V_in）的速度。一些用戶希望看到被測器件具有快速的邊沿，但他們必須認識到探測系統所顯示的可能并不是實際狀況。通由用戶可操作的交流校準（例如 Agilent PrecisionProbe），示波器用戶可以輕松地選擇探頭響應的定義方法，避免不必要的理論爭吵；圖 5 顯示了采用V_out/V_src 和 V_out/V_in 定義方法的探頭響應。

圖 ：PrecisionProbe 頻率響應圖顯示了已校正傳遞函數的高頻峰值，探頭響應通過 V_src 確定（深藍色軌跡）

 

圖 5b 相同探頭的上升時間差異，響應采用多種方法計算。使用V_in 確定探頭響應的黃色軌跡波形已校正，而橙色軌跡波形使用的是V_src。橙色波形的下降時間要比實際被測信號快

 

　　用戶可操作的交流校正方法是使用夾具對用戶的探頭進行校準和校正，因此校正時使用的探頭設置和附件必須盡可能與實際設置一致，否則校正可能是無意義的，也就是說，校正和實際測試時，所使用的探頭、前端或附件長度與空間方位間隔應該*相同。

 

　　探頭校正方法十分復雜，并且其復雜程度將隨著探頭和示波器性能的增強而加深。校正方法有三個進階，入門進階是用戶定期對探頭進行直流校準，第二進階是使用由工廠完成的交流校正方法來改進測量精度。第三進階，也就是對于探頭要求很高的用戶，是使用用戶可操作的交流校準（即 安捷倫的 Precision Probe套件），以改進測量并降低探測工作的復雜程度。了解不同的探頭校正方法及其細微差別可以確保探頭用戶獲得zui高的測量保真度。