原创 在示波器校准中是否使用有源探头

1.引言
　　为了校验一台示波器的动态性能，通常要检查两种性能参数。第一，使用具有最小前沿畸变性能的快速上升时间脉冲或上升沿，在时域中检查示波器的脉冲响应。在被测仪器（UUT）上观测这个脉冲沿，并根据示波器的技术指标对波形的上升沿、过冲以及振铃等情况进行评估。第二，为了校验示波器的频率响应，校准标准送出在其频率范围内具有极好的平坦度的正弦波信号，并校验在UUT上显示的信号幅度与通常为50kHz的低频参考频率的幅度相比下降3dB时的频率。
　　由于在测试工作中，特别是在测试高速示波器（带宽为500MHz到1GHz以更高时）的工作中所涉及的频率很高，所以快速沿功能和带宽功能对于示波器校准器的设计者来说是最大的挑战。校准器必须尽可能忠实的把这些信号传送到UUT的输入端。由于在传送路径上的VSWR和损耗，所以在忠实的传送方面呈现出复杂性。损耗和不匹配的情况可以发生在信号源、传输线、连接器上以及在UUT中。对于这些因素产生的误差难于进行特性修正和定量度量。
　　传统上，示波器的制造厂商处理这些误差来源的方法是把传输路径的长度尽可能的减到最短的距离。其方法是把快速沿和正弦波的信号源以及平坦电路（leveling circuit）、衰减器的连接器都放在一个直接可与UUT相连的有源探头中。这种保守的方法的确把问题减到最小的程度，但是也有其缺点。实现这种方法的价格很昂贵。每一个UUT的输入端可能需要一个接口盒，并且对每一个接口盒必须分别进行校准。这种接口盒就其性质来说，不论是偶然的跌落在测试台上或者受到挤压、碰撞时，都极易被损坏。从机械上说，对于一些在前面板上输入端周围的窨很有限的示波器来说，使用这种有源探头可能是很麻烦的。最后，这种有源探头并没有把问题消除，其原因是在UUT的输入端和测量电路之间仍然存在着一段有限长度的传输线，而且由这段有限长度的传输线产生的误差可能很大。
　　当今的示波器校准器具有极好的VSWR，大约在1.1:1左右。这就使得我们有可能通过有限长度的电缆把快速脉冲和已知幅度的正弦波送到UUT，并且使得由于信号源、传输线、和UUT不匹配所引起的误差很小。而且，同轴电缆和连接器设计方面的进步也使得这种替代成为可能。我们把信号源的电路仍然放在校准器本身的内部，就可以把传统的有源探头因其形状态因素和价格昂贵等方面的缺点减到最小或者消除。虽然需要对电缆进行特性修正以使和一个特定的校准源配合使用，但是，电缆价格较便宜，并且在机械上和电气上都是相当坚固的。因此，对于这些苛刻的示波器校准功能来说，电缆是否是一种适当的舆方法？
　　为了回答这个问题，人们介绍了一系列的测试实验，在这些实验中对于校准高速示波器时使用的各种传输方法进行了测量和比较。
　　2.实验用设备



　　3.电缆对脉冲头的影响
　　在这个实验中，我们使用一个外部的隧道二极管脉冲发生器。当用5500A产生的80V峰-峰值的方波驱动时，此脉冲发生器能产生125ps的脉冲。这种隧道二极管脉冲发生器的设计意图直接和示波器相连。这个实验对直接使用这个脉冲头时传送到示波器的快速沿和在该脉冲头和示波器之间接入1m长的电缆时传送到示波器的快速沿进行比较。实验中使用的电缆是采用聚四氟乙烯介电材料的双层屏蔽电缆RG223。如图1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　图1双层屏蔽电缆RG223
　　图2中只显示出扫描线的顶部，以便把电缆的效果加以放大。每一格是输出波形的峰-峰值的4%。右面的扫描线显示的是当隧道二极管脉发生器直接接在20GHz取样示波器的输入端时，隧道二极管脉冲发生器送出的快速沿。在最初的几百皮秒中有一个明显的4%峰。左面的扫描线显示的是由接在校准器上的隧道二极管脉冲发生器经过1m长的电缆传送出的快速沿。这时，该峰在托后10ns时刻出现，但是原来的4%峰消失了。虽然在第一个测试实验中把快速沿信号源放在离示波器的输入端尽可能近的地方，但是仍然存在着由示波器内部的有限长度的传输线引起的不匹配。这种不匹配所引起的反射使得脉冲的前沿处发生失真，而这个地方正是校准工作中最关键的测量区域。而在另一种情况下，电缆却把这种反射从该区域移到脉冲的不太关键的区域。


　　　　　　　　　　　　　　　图2显示扫描线顶部
　　由于UUT的带宽要窄要多，所以不能探测出在20GHz取样示波器上看到的结果。这样，尽管系统中存在着不匹配，但是对于校准而言，UUT不能探测出由于电缆所引起的任何差别。


　　　　　　　　　　　　　　　　图3显示的是使用UUT样机时重复上述实验的结果。
　　4.比较在VSWR不够理想时对电缆的影响
　　在这个实验中，我们故意的把20GHz参考示波器的很好的VSWR变坏，并进一步观察上面实验中看到的不匹配的情况，（实验的设置情况示于图4）。并用CG5011通过一个脉冲头来产生150ps的快速上升沿。我们在示波器的输入端增加了一个“T”形连接器并在T连接器的另一边连接一个1.2pF的电容器供第二个测试使用。这种结构使得传输路径的性能大大变坏，从而很容易看到反射现象。图5对直接脉冲头时T形连接器的影响和使用1m的RG223同轴电缆进行连接影响进行了比较（这时T形连接器的另一边未连接）。

图4 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5



　　直接把脉冲头连到T形连接器增加了在最初2ns内看到的畸变（每个垂直的分格代表峰-峰值的5%）而另一方面，通过1m的电缆连接脉冲头则把这此畸变在时间上向后移动了大约10ns，移动波形的不太关键的部分上。
　　下一个实验和图5中所示的情况类似，但是把一个1.2pF的电容器加到了T形的另一端。在1GHz时，增加这个电容就使示波器的VSWR变成1.5:1。这个数值是很多示波器的VSWR的技术指标。图6显示出把脉冲头直接连到T形上的结果以及通过1m电缆连到T形的结果。

　　　　　　　　　　　　　　图6
　　当脉冲头直接连到示波器时，1.2pF的电容器大大的增加了在最初4ns中的畸变。使用了1m的电缆以后，畸变后移了10ns。这些实验表明了使用电缆的好处。因为在使用快速沿进行测试时，最初的（1~3）ns对于示波器校准来说是最重要的。
　　5.用5500A-SC600模拟一个有源探头
　　在这个实验中，把不使用脉冲头的5500A-SC600校准器通过152.4mm（6英寸）长的硬同轴线连到20GHz的取样示波器上，见图7。我们实质上已经把校准器本身变成了一个有源探头。使用一个很短的、高质量的传输路径把它的输出送到示波器上。送出的信号为100mV峰-峰值、1MHz频率的200ps的脉冲沿，并把观测到的结果和使用1m的同轴电缆的结果进行比较。


　　　　　　　　　　　　　　　图7
　　同样，显示的波形放大到每格为总幅度的10%以便将波形的差别放大（图8）。由于该校准器对VSWR进行了很好的控制，所以在不同类型的电缆之间实际上没有差别。左边的扫描线为152.4mm同轴电缆的情况，右边的扫描线是1m电缆的情况。使用1GHz的UUT重复进行相同的实验见图9，对于不同类型的电缆之间同样察觉不到任何区别。

图8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9
　　6.电缆对于具有很好的VSWR系统的影响
　　在这个实验中，我们试图对于本来具有很好的VSWR的系统上由于电缆产生的影响进行特性修正。
　　图10显示出实验的结果。使用5500A-SC600，向50GHz取样示波器送出250mV，1MHz，200ps的脉冲沿。左边的扫描线表示出1m电缆的影响。右边的扫描线表示出2m电缆线的影响。电缆长度的增加使得高频分量受到衰减，并影响了脉冲的形状。但是，这种情况怎样影响测量上升时间和过冲的校准工作呢？


　　　　　　　　　　　　　　　　图10
　　图11表明同一脉冲通过1m的电缆的情况。上升时间为263.6ps，过冲为1.4%。


　　　　　　　　　　　　　　　　图11
　　图12表明同一脉冲通过1m电缆的情况。上升时间为30ps,但过冲减少了一半以上。所以，虽然电缆的长度对上升时间和畸变有影响，但是对于任何一个电缆都可以进行特性修正，使之与其长度没有关系。


　　　　　　　　　　　　　　　　图12
　　7.不同电缆的快速沿的性能
　　上面的实验表明电缆确实对于快速沿信号的波形有影响。从某些方面来说，由于电缆把反射在时间上向后移，所以它能够改进观测到的畸变。但和脉冲头相比，电缆代表了更长的传输路径。下面的实验表明，使用适当的电缆可以很好的控制更长的传输路径的影响。使用带有脉冲头的CG5011示波器校准器来给20GHz的取样示波器产生150ps的快速沿脉冲。先把脉冲头的输出通过101mm（4英寸）的硬同轴线连到示波器上，再把同一脉冲头的输出用1m的电缆连到示波器上（图13）。对两种情况的结果进行比较。图14表明直接连接脉冲头与通过101mm的硬同轴线连接脉冲头之是只有很小的差别，而使用1mm的电缆时脉冲前沿的畸变大约为2%。

图13　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图14
　　如果对于各种电缆来说，这个2%的变化都是一致的，那么就可以把定量化的快速沿送到电缆的末端。图15表示用来把脉冲头连到20GHz示波器的三种不同的电缆的情况。在这种3种电缆的情况下的波形实际上没有区别。


　　　　　　　　　　　　　　　　图15
　　8.电缆对带宽校准的影响
　　电缆对频率响应的影响是众所周知的。简单说，在高频率时，电缆内部具有损耗，并且这种损耗对输入信号的衰减作用是频率的函数。因此在技术上的挑战性要求是把这种损耗减到最，并且设计出在电气性能一致的电缆，使得人们可以针对某一台校准器对这种损耗进行特性修正从而可以将其不确定减小到很低的水平。
　　要记住，一个有源探头和一台使用外部输出电缆的示波器校准器的区别在于校准器的输出端和UUT之间的传输线的长度。在前者的情况下，传输线通常为几英寸长，而在后者的情况下则为1m。由于平坦头只通过几英寸的传输线和UUT相连，所以它的损耗应当比较低。下面的实验试图说明，即使存在着损耗，仍然可以设计出色电气上性能一致的电缆并把误差减小到不大的水平。
　　下面的实验表明，可以设计出一台校准器，使得当它使用经过特性修正的电缆时的性能和使用有源探头的校准器的性能完全相同。另一些实验表明，通过精心设计的电缆，可以在高达1GHz时达到千分之几的电平误差的电气重复性。
　　在第一个实验中，我们对两台UUT样机的频率响应进行比较。先直接用平坦头连到正弦波发生器，然后再经过1m的电缆连到该信号发生器。实验表明，可以设计出600MHz的校准器，使它能够把我们必须的电平性能传送于高质量电缆的末端。
　　使用1GHz示波器的第一次测试表明，在可以比较的频率范围内，在两种情况下，信号源的一致性在千分之几以内（图16）。图中的不连续性是由于信号发生器的不同的频率量程所引起的。


　　　　　　　　　　　　　　图16
　　使用500MHz示波器的第二测试得到了相同的结果，信号源很小的差别远在示波器的0.5%的分辨力之力。（图17）
　　那么当频率在600MHz以上，比如达到1GHz时情况又怎样呢？电缆还能够达到足够的电气一致性，使得我们能够对损耗进行特性修正以便传送需要的电平平坦性吗？在这一组实验中，我们用相同的设计方法和3种不同的lm电缆把SG504的平坦正弦波连于UUT上。图18表明，三种电缆的频率响应之间的差别在千分之几以内，这个差别和示波器校准器在这样高的频率下的平坦度技术指标（通常为3%~4%）相比是很小的。尤其是对于确定一台示波器的频率响应的-3dB（或29%）点来说，这个差别是很小的。

图17　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图18
　　不可否认，SG504的频率响应显示出在1GHz，使用1m的电缆时又多了-4%的损耗，如果正确的选择电缆，则可以使这个损耗量大大减小，使得特性修正的工作更加容易。福禄克公司现在正在进行着研究工作，以便获得比这个实验所示的损耗更低的电缆。
　　9.结论
　　为了很好的校准示波器的动态特性和带宽，校准器必须能够把校准波形忠实的传送到示波器的输入端。已经证实传统的使用脉冲平坦探头的方法是实现这一目标的有效的方法，但是其价格昂贵。制造的维护有源探头都是比较昂贵的，并且易于损坏。今天，使用很好的控制VSWR的校准源，并且正确的选择电缆，就成为了一种实际的、可靠的、耐用的和经济有效的替代方法。