高頻示波器探棒頻寬需要校正嗎
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一般人對示波器所配備的探針并不是非常的注意其規(guī)格與其影響，也就是說他將示波器的探針隨便匹配使用。當然并不是不同兩家廠商的示波器與探針不能混著用，也不是不同頻寬的示波器與探針不能混著用。不管前面的問題如何，如果有機會下次再來說明此問題，本文要探討的是如何確定一支高頻寬探針（探棒）的頻寬是正確足夠的。
頻寬與Risetime
因為怕各位讀者一下子就進入了解校正高頻探棒頻寬的原理會較困難，先從校正示波器頻寬的原理開始，然后再把探棒加入系統(tǒng)中，再來談校正高頻探棒頻寬的原理。
校正探棒所使用的示波器頻寬必須比待校探棒的頻寬寬約4～5倍，所以使用于校正高頻探棒頻寬（此處舉例校正Tektronix P6248頻寬1.5Hz以上的差動探棒）的示波器頻寬必須比待校探棒的頻寬更寬才行。所以在以下文章中使用于校正P6248高頻探棒的高頻示波器為Tektronix 11801C+SD24，頻寬高達20GHz，也可以使用新型的Tektronix TDS8000+80E04取樣示波器。
示波器所使用探針（探棒）的種類繁多，但是所使用的Probe一定是感應電壓的探針。雖然，示波器可以接一種量電流的探棒，其實此種探針，探針頭有裝置一種霍爾效應元件，先將電流的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，示波器才可以做顯示，所以示波器也是以電壓顯示電流。
Active高頻示波器探棒也是感應電壓的探針，只是它與Passive探棒不同的是，它在探棒的針頭最前端以放大器先將信號放大。且因為測量的信號頻率太高，阻抗容易變化而會影響到量測值，所以量測與校正時必須注意輸入端的阻抗匹配。
首先以校正示波器頻寬（BW）來說明頻寬與Risetime的關(guān)系。校正示波器BW時比較簡單可以以sine wave直接輸入到示波器量測頻寬（以50kHz為參考信號），此種方法為直接校正法，而以Risetime測量方法則是第二種變通的間接校正法。第二種方法是間接由公式“頻寬（BW）MHz"350nS(Risetime”將量測到的Risetime換算成頻寬，當然如果量測不慎的話誤差會變得很大。因為量測的系統(tǒng)是以(公式一)換算來轉(zhuǎn)換出待測示波器的Risetime。
《公式一》
而且在量測Risetime的10％與90％的位置時容易產(chǎn)生相對的誤差，所以不確定度會變得很大。換算公式中會牽涉到輸出源（Source）的Risetime容易產(chǎn)生額外的誤差。那為何這個換算的公式分母是350nS而不是其他的數(shù)字？如果分母是其他的數(shù)字那么前面敘述的Risetime測量方法誤差就會改變而不同了。
常用的這個公式其實并不是每一臺示波器都符合的，這個公式的曲線我們通稱它為高斯曲線（Gaussian），曲線會因使用的Filter不同而有不同的值。依據(jù)下面列表，可知不同的高斯Filter會有不同的數(shù)值，如(表一)所示。
表一 不同的高斯Filter所產(chǎn)生的不同數(shù)值
由表一中可以看出頻寬計算公式其實只是Single pole Filter的一種而已。因為以前的類比示波器大都是如此設(shè)計，也因為它簡單好用，且一般廠商示波器的設(shè)計并不會偏離它太多。
當然第一種量測方法直接輸入sinewave，也會有誤差。但是當頻率到達GHz以上時因為待測儀器與信號源VSWR的不匹配誤差會變大，很少使用直接輸入sinewave做量測頻寬的判定，使用第二種量測方法測試會比較方便。但是第二種量測方法的問題是在校正的過程中看不到每一個頻率相對于振幅（Amplitude）的變化，只能得到最后的結(jié)果是否達到所標示的規(guī)格。舉一個1GHz示波器為例子，如果得到的結(jié)果是Risetime"350pS，換算成頻寬（BW）"1GHz。這是依據(jù)頻寬（BW）MHz"350nS(Risetime理想的高斯曲線換算所得，但是事實上廠商所設(shè)計的示波器與探棒并不一定遵循此理想的曲線。
有的可能是設(shè)成頻寬（BW）MHz"400nS(Risetime，那么頻寬（BW）"1GHz的儀器其Risetime"400pS，如果以第二種Rise time測量方法量測BW時，需要輸入一個Risetime很快且曲線很好的脈沖（Pulse）信號源。由富立葉知道信號的Risetime愈快，其所含蓋的頻寬愈寬。當然最理想的是輸入一個Risetime＝0的脈沖電流（impulse），那么所含蓋的頻寬將會是無窮大。事實上這是不可能的事，所以使用第二種Risetime測量方法盡量讓脈沖信號源的Risetime不影響到待測物的量測值。因為以前面所敘述一個系統(tǒng)的總頻寬公式（Risetime），如(公式二)所示。
《公式二》
如果Tr（Source）該項可以忽略，則Tr（Measure）＝Tr（Scope）。
利用Fast pulse做示波器頻寬測試
示波器第二種頻寬的檢查步驟如下，接線圖如(圖一)。
(設(shè)定示波器為50Ω系統(tǒng)輸入，如果示波器不為50Ω系統(tǒng)，加入一個50Ω之匹配器使示波器為50Ω系統(tǒng)?，F(xiàn)在的高頻數(shù)位示波器都會有50Ω，1MΩ2種輸入端，可以不需要外加一個50Ω之匹配器，只要直接切換到50Ω之設(shè)定即可。
(再加入一個1MHz、Ristime＝150pS（Wavetek 9500＋9530輸出）（如果有更快的Pluse更好），500mVp-p之Step pulse波（步級波，其實就是有＋上升緣的突波或方波）。
(調(diào)整數(shù)位示波器使得到最適合的信號大小，然后按下數(shù)位示波器的Risetime量測功能，示波器顯示為Risetime＝Tr（Measure）pS，根據(jù)上面公式就得到該示波器之頻寬。
《圖一 示波器頻寬檢查接線圖》
由(公式二)的換算可知，如果Tsource很小，則Tr（Measure）＝Tscope。但如果Tsource也很大，而就會影響到Tscope的量測值。所以除非確定Tsource Risetime很小，不然不要用Risetime的方法來測量。
(圖二)是以Wavetek 9500+9530的Edge mode輸出150pS的pulse到Tektronix數(shù)位示波器TDS540量測到的Risetime＝561pS（BW＝400/0.561＝713MHz），經(jīng)公式二換算得到（561）2＝Tr（Scope）2＋（150）2，Tr（Scope）＝540pS，再換算成BW＝740MHz?？梢钥闯鯰r（Source）的誤差影響程度，如果頻寬較小的示波器用這種方法誤差會很大，這種方法較適合于頻率較高的示波器。以100MHz的示波器來說10MHz的誤差就是10％，但是20MHz的誤差對500MHz的示波器來說只有4％。
《圖二 以Risetime量測頻寬》
利用Fast pulse做探棒頻寬測試
要求證或校正高頻探棒的頻寬，所使用的示波器的頻寬必須要更高才行，最少要大5倍以上。也就是說校正2GHz的高頻探棒必須要使用10GHz或更高的示波器。所以在此使用Tektronix11801C+SD24的取樣示波器，如(圖三)，此示波器的頻寬高達20GHz。Tektronix11801C是主機，主要的工作是顯示出SD24取樣后的信號波形，它可以各插入4個SD24，每個SD24有2個Channel。
《圖三 Tektronix11801C+SD24取樣示波器》
而SD24的功能則是取樣信號，其取樣率只有200kS/s，但是11801C利用「重覆取樣」的原理與「取樣點與取樣點間補差線段」的原理，可以使頻寬高達20GHz以上。另外一個SD24的重要功能為；它每個Channel可以輸出一個500mVP-P而Risetime＜17.5pS的pulse。這種能在同一個Channel同時打出pulse并取樣收回的反射信號的功能，稱為TDR。這個原理是大家熟知的雷達原理，雷達利用發(fā)射出一個左旋極化的pulse，碰到物體收回右旋極化的反射波pulse，反射波pulse的大小與時間差可以算出物體的大小與距離。入射的左旋極化的pulse與反射的右旋極化波是不相干擾的。
因為SD24有此2種功能所以可以利用其CH1輸出17.5pS的pulse（不使用CH1的取樣功能），將此信號取代前面的Wavetek 9500+9530信號源。而讓CH2只使用取樣功能，不產(chǎn)生pulse。使用一臺Tektronix11801C+SD24就可以取代前面的Wavetek 9500+9530信號源與待測示波器（此處將示波器當測試儀器，后面會將示波器+Pulse產(chǎn)生器當做一系統(tǒng)來測試探棒）。
前面講過只要Risetime求錯，換算回來的頻寬也會有誤差?，F(xiàn)在使用的不是簡單的一臺示波器而已，而是一個測量系統(tǒng)，含有示波器與Pulse產(chǎn)生器，必須先求出系統(tǒng)的Risetime（Tr（S）），才可以減去量測的誤差，接線圖如(圖四)。
《圖四 求出系統(tǒng)Risetime接線圖》
然后再將待測的探棒加入系統(tǒng)中，測量探棒的Risetime，其接線如(圖五)。當然我們會量測到一個系統(tǒng)＋探棒的Risetime（Tr（S+P）），此值減去系統(tǒng)的Risetime（tS），就是真正的探棒Risetime值Tr（P）。
Tr（P）2＝Tr（S+P）2－Tr（S）2然后再將（BW）MHz"400nS(Rise time換算出來。
《圖五 將探棒加入系統(tǒng)求出Risetime（Tr（S+P））》
以下的測試是校正Tektronix P6248 differential probe的例子，其-3dB的保證（Warranty）頻寬為1.5GHz，而一般性（Typical）頻寬為1.7GHz。以Risetime(400nS/（BW）MHz換算成得到Risetime(265pS。以上述的理論驗證此探棒的頻寬。
系統(tǒng)的架設(shè)與信號的量測
先求出測試系統(tǒng)的Risetime
使用50( cable將系統(tǒng)的Tek11801C+SD24與Tek1103如(圖四)連接起來。實體的架設(shè)圖如(圖三)。
因為TekSD24有發(fā)射pulse與接收信號2種功能，我們將CH1設(shè)定為發(fā)射pulse的信號源，而不啟動其取樣的接收功能（不顯示取樣信號波形）。CH2只啟動其取樣的接收功能（顯示取樣信號波形）。
Tek11801C+SD24的儀器其設(shè)定按鈕如下：
(示波器重新還原成原廠的設(shè)定：UTILITY＞Initialize＞Initialize
(設(shè)定各Channel的功能：Waveform＞Sampling Head fucs＞Mainframe
＞1＞TDR preset＞EXIT＞此時SD24面板的2個燈會亮（紅燈與黃燈）
（藍色字的為實體的按鍵，黑色字的為在螢幕的軟體鍵）
(r)按下SD24面板CH2的小按鈕，見(圖三)，使CH2啟動其示波器顯示功能（只有黃燈會亮，黃燈亮表示啟動示波器顯示功能）。
(按下SD24面板CH1的小按鈕2次，使CH1取消其示波器顯示功能。（2個亮燈會熄滅黃燈只有紅燈亮，紅燈亮表示啟動發(fā)射pulse的功能）。此時SD24 CH1為發(fā)射狀態(tài)，CH2為接收狀態(tài)。
Tek1103只是一個提供獨立的Active Probe不需要依附固定的數(shù)位示波器提供其電源，而可以將其接觸的信號轉(zhuǎn)接到其他示波器顯示的功能。因為Active Probe是必須要有電源供應給探棒，探棒才能工作，因為不是每一種廠牌都會在示波器的面板提供相同的探棒電源供應，為了要使Tektronix的Active probe能使用于其他廠牌的示波器或面板沒有探棒電源的示波器，Tek1103是一個很好的轉(zhuǎn)接器。其實Tek1103只是將探棒輸入端短路到Tek1103的輸出端而已。
Tek1103的接線步驟：
(此處使用Tek1103的CH1，所以將SD24 CH1的發(fā)射信號以50( cable接到Tek1103的CH1的Probe輸入端。將Tek1103的CH1的輸出端接到SD24 CH2的輸入端。
(設(shè)定Tek11801C的量測功能：
Measure＞Risetime＞EXIT＞此時11801C螢光幕左下角會出Risetime的量測值
(r)再按下螢光幕左下Risetime的方格，可以設(shè)定示波器量測10％～90％的設(shè)定。
(調(diào)整垂直與水平旋鈕使信號上升緣以最適當?shù)拇笮★@示在11801C螢光幕上。
會得到系統(tǒng)的Risetime Tr（S）值，如(圖六)所示。
《圖六 系統(tǒng)Risetime Tr（S）值》
再加入探棒測試出整個系統(tǒng)＋Probe的Risetime
將前面的50( cable置換成待測探棒如(圖五)。因為Probe Tip要轉(zhuǎn)換成能接到TekSD24 CH2的出端（SMA的接頭），需要一個Probe Tip轉(zhuǎn)BNC與BNC轉(zhuǎn)SMA的轉(zhuǎn)接頭。然后重覆先前的步驟調(diào)整信號上升緣以最適當?shù)拇笮★@示在11801C螢光幕上。會量測到系統(tǒng)＋Probe的Risetime Tr（S+P）值，如(圖七)。
《圖七 系統(tǒng)＋Probe的Risetime Tr(S+P)值》
依據(jù)(圖六)（Risetime＝93pS）與(圖七)（Risetime＝253pS）的數(shù)值代入公式Tr（P）2＝Tr（S+P）2－Tr（S）2得到真正的Probe Risetime Tr（P）＝(64009－8649＝235pS，換算成頻寬是1.702GHz此規(guī)格符合該公司所發(fā)布的產(chǎn)品資料。
結(jié)論
數(shù)位示波器所配備的高頻Probe（探針或探棒）必須要校正。校正的方法與注意事項已在前面敘述了，當然可以不使用以上建議的儀器，改用其他廠牌的儀器，只要符合前面的規(guī)格與方法即可確定探棒的頻寬是正確足夠的。
當然有時會懷疑量測一個高頻的數(shù)位信號發(fā)現(xiàn)信號為何不如預期的形狀，而呈現(xiàn)奇奇怪怪的波形呢？
這個問題主要是不會善用高頻Probe（探針或探棒）所配置的一堆奇奇怪怪的Tip轉(zhuǎn)接頭與接地接頭與接線，因為這些接頭與接線可以減少外在的干擾信號與量測時高頻信號產(chǎn)生的泄漏，以至于懷疑高頻探棒的頻寬是否足夠。相同的道理在前面文章中如果將Probe Tip轉(zhuǎn)BNC的轉(zhuǎn)接頭隨便用其他的轉(zhuǎn)接頭代替，可能也要懷疑此高頻探棒的頻寬是否足夠？探棒的種類繁多，其所配備的組件奇奇怪怪，如果應用不當反而會產(chǎn)生許多的誤會。
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