高频示波器探棒频宽需要校正吗

高速数位发展的今日，不管是数位示波器或Probe（探针或探棒）的速度与频宽都已高达数十个GHz，有些工程师拿到了这么高频的数位示波器与探棒，经常就去随意地量测一个高频的数位信号，发现信号并不如预期的形状，马上在脑海中出现“是否数位示波器的频宽不够”并没有想到“所配备的高频探棒频宽不够”。示波器刚校正过，那么探棒是否也需要校正？

一般人对示波器所配备的探针并不是非常的注意其规格与其影响，也就是说他将示波器的探针随便匹配使用。当然并不是不同两家厂商的示波器与探针不能混着用，也不是不同频宽的示波器与探针不能混着用。不管前面的问题如何，如果有机会下次再来说明此问题，本文要探讨的是如何确定一支高频宽探针（探棒）的频宽是正确足够的。

频宽与Risetime

因为怕各位读者一下子就进入了解校正高频探棒频宽的原理会较困难，先从校正示波器频宽的原理开始，然后再把探棒加入系统中，再来谈校正高频探棒频宽的原理。

校正探棒所使用的示波器频宽必须比待校探棒的频宽宽约4～5倍，所以使用于校正高频探棒频宽（此处举例校正Tektronix P6248频宽1.5Hz以上的差动探棒）的示波器频宽必须比待校探棒的频宽更宽才行。所以在以下文章中使用于校正P6248高频探棒的高频示波器为Tektronix 11801C+SD24，频宽高达20GHz，也可以使用新型的Tektronix TDS8000+80E04取样示波器。

示波器所使用探针（探棒）的种类繁多，但是所使用的Probe一定是感应电压的探针。虽然，示波器可以接一种量电流的探棒，其实此种探针，探针头有装置一种霍尔效应元件，先将电流的信号转换成电压信号，示波器才可以做显示，所以示波器也是以电压显示电流。

Active高频示波器探棒也是感应电压的探针，只是它与Passive探棒不同的是，它在探棒的针头最前端以放大器先将信号放大。且因为测量的信号频率太高，阻抗容易变化而会影响到量测值，所以量测与校正时必须注意输入端的阻抗匹配。

首先以校正示波器频宽（BW）来说明频宽与Risetime的关系。校正示波器BW时比较简单可以以sine wave直接输入到示波器量测频宽（以50kHz为参考信号），此种方法为直接校正法，而以Risetime测量方法则是第二种变通的间接校正法。第二种方法是间接由公式“频宽（BW）MHz"350nS(Risetime”将量测到的Risetime换算成频宽，当然如果量测不慎的话误差会变得很大。因为量测的系统是以(公式一)换算来转换出待测示波器的Risetime。

《公式一》


而且在量测Risetime的10％与90％的位置时容易产生相对的误差，所以不确定度会变得很大。换算公式中会牵涉到输出源（Source）的Risetime容易产生额外的误差。那为何这个换算的公式分母是350nS而不是其他的数字？如果分母是其他的数字那么前面叙述的Risetime测量方法误差就会改变而不同了。

常用的这个公式其实并不是每一台示波器都符合的，这个公式的曲线我们通称它为高斯曲线（Gaussian），曲线会因使用的Filter不同而有不同的值。依据下面列表，可知不同的高斯Filter会有不同的数值，如(表一)所示。

表一　不同的高斯Filter所产生的不同数值

由表一中可以看出频宽计算公式其实只是Single pole Filter的一种而已。因为以前的类比示波器大都是如此设计，也因为它简单好用，且一般厂商示波器的设计并不会偏离它太多。

当然第一种量测方法直接输入sinewave，也会有误差。但是当频率到达GHz以上时因为待测仪器与信号源VSWR的不匹配误差会变大，很少使用直接输入sinewave做量测频宽的判定，使用第二种量测方法测试会比较方便。但是第二种量测方法的问题是在校正的过程中看不到每一个频率相对于振幅（Amplitude）的变化，只能得到最后的结果是否达到所标示的规格。举一个1GHz示波器为例子，如果得到的结果是Risetime"350pS，换算成频宽（BW）"1GHz。这是依据频宽（BW）MHz"350nS(Risetime理想的高斯曲线换算所得，但是事实上厂商所设计的示波器与探棒并不一定遵循此理想的曲线。

有的可能是设成频宽（BW）MHz"400nS(Risetime，那么频宽（BW）"1GHz的仪器其Risetime"400pS，如果以第二种Rise time测量方法量测BW时，需要输入一个Risetime很快且曲线很好的脉冲（Pulse）信号源。由富立叶知道信号的Risetime愈快，其所含盖的频宽愈宽。当然最理想的是输入一个Risetime＝0的脉冲电流（impulse），那么所含盖的频宽将会是无穷大。事实上这是不可能的事，所以使用第二种Risetime测量方法尽量让脉冲信号源的Risetime不影响到待测物的量测值。因为以前面所叙述一