探究寬帶取樣示波器的誤差補(bǔ)償法

陳彪，魏丹，魏鍶釗

（沈陽(yáng)工學(xué)院基礎(chǔ)課部，遼寧撫順，113122）

1 高速取樣示波器時(shí)基失真概述

高速取樣示波器在測(cè)量操作的時(shí)候需要嚴(yán)格遵循等效采樣的操作原理，時(shí)基在獲得信號(hào)之后，需要經(jīng)過(guò)一段的延遲才能夠出現(xiàn)觸發(fā)脈沖。一般情況下，延遲反應(yīng)的時(shí)間增量是相同的，但是在實(shí)際操作中，受示波器自身硬件電路的影響，使得示波器每次出現(xiàn)延遲的時(shí)間是不同的，最終導(dǎo)致采樣的時(shí)基間隔也不相等，這個(gè)期間產(chǎn)生的時(shí)基誤差被稱(chēng)作是時(shí)基失真。時(shí)基失真是高速取樣示波器硬件系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)常出現(xiàn)的一種系統(tǒng)誤差，這個(gè)誤差會(huì)直接影響示波器的信號(hào)上升時(shí)間和頻率寬帶參數(shù)測(cè)量精準(zhǔn)性。

2 高速取樣示波器時(shí)基取樣誤差的綜合評(píng)定

2.1 時(shí)基誤差的影響評(píng)估

如果使用示波器來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔，兩個(gè)信號(hào)之間的間隔深受示波器在中間取樣的影響，如果時(shí)基精準(zhǔn)度不高，那么在實(shí)施操作的時(shí)候就會(huì)影響到示波器采樣，最終影響測(cè)量的精準(zhǔn)度。

時(shí)基誤差測(cè)量精準(zhǔn)度影響是兩個(gè)信號(hào)間隔時(shí)間以及示波器精準(zhǔn)度的乘積，即時(shí)基精準(zhǔn)度=測(cè)量間隔x示波器的時(shí)基=1usx10-8=10-14S。按照這個(gè)結(jié)果，示波器如何測(cè)量1us間隔的信號(hào)，時(shí)基誤差是不需要考慮的，如果測(cè)間隔時(shí)間是2s，測(cè)量精準(zhǔn)度受時(shí)基影響量如表1和表2所示。

表1 雙通道交換法示波器的測(cè)量結(jié)果

表2 三通道法示波器的測(cè)量結(jié)果

2.2 時(shí)基誤差影響測(cè)量方法

經(jīng)過(guò)測(cè)量分析，所選擇使用的示波器基精準(zhǔn)度為10-8,，評(píng)估時(shí)基誤差對(duì)1us間隔測(cè)量所產(chǎn)生的影響，打造出如圖1所示的測(cè)試電路，將脈沖分配放大器輸出的信號(hào)接入到示波器的1通道中，另外一路通過(guò)相位微調(diào)儀器設(shè)備來(lái)輸出信息。測(cè)量分為兩步進(jìn)行，第一步是將兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差設(shè)定在1000ns，使用示波器測(cè)量二者之間的時(shí)間間隔。第二步是使用相位微調(diào)儀器設(shè)備來(lái)完成移相處理，在兩個(gè)秒信號(hào)重合在一起的時(shí)候，記錄相位微調(diào)移動(dòng)相位的數(shù)值。

圖1 示波器時(shí)基誤差對(duì)測(cè)量影響的評(píng)估

2.3 時(shí)基誤差影響測(cè)量結(jié)果

按照上文的測(cè)量分析方法開(kāi)展三次試驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，根據(jù)表三的信息我們發(fā)現(xiàn)，在最后沒(méi)有將兩個(gè)1pps信號(hào)完全對(duì)準(zhǔn)，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間存在一定的時(shí)間差。一系列的測(cè)試分析證明，移相方式和示波器的測(cè)量方式符合度在測(cè)量允許的范圍內(nèi)，時(shí)基對(duì)1us間隔時(shí)間內(nèi)測(cè)量精準(zhǔn)度的影響不會(huì)超過(guò)50ps。

表3 時(shí)基誤差測(cè)量影響結(jié)果

3 時(shí)基失真數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 硬件介紹

時(shí)基修正需要得到兩交信號(hào)的支持，在信號(hào)的支持下能夠獲得更為精準(zhǔn)的示波器特征參數(shù)，在開(kāi)展試驗(yàn)分析時(shí)所使用的設(shè)備包含一臺(tái)高速度取樣示波器主機(jī)、一臺(tái)取樣示波器的模塊、兩個(gè)信號(hào)源、一臺(tái)PC機(jī)、低損耗的電纜和接頭。

3.2 時(shí)基失真數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的打造

對(duì)高速取樣示波器的時(shí)基失真開(kāi)展精準(zhǔn)修正的一個(gè)重要關(guān)鍵是如何精準(zhǔn)的獲取Agilent86100系列示波器的時(shí)基失真數(shù)據(jù)。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)基失真數(shù)據(jù)的綜合評(píng)估需要大量的多相位、多頻率被測(cè)量數(shù)據(jù)。美國(guó)實(shí)驗(yàn)室將希爾博特變換器將一路正弦波信號(hào)劃分為兩路理想的正弦波信號(hào)，之后根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器情況和算法需求，打造出兩種時(shí)基失真數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選擇5GHz和8GHz兩種頻率的正弦波信號(hào)，每一個(gè)頻率的信號(hào)采集20組相位正交信號(hào)。

（1）實(shí)驗(yàn)方案一

使用Aglient 86100系列高速示波器、83484取樣模塊、E8663B信號(hào)源和83752A信號(hào)源，在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院脈沖參數(shù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開(kāi)展硬件對(duì)接實(shí)驗(yàn)，硬件設(shè)備的連接情況如圖二所示。具體的試驗(yàn)操作如下：第一，插入83484 50GHz電模塊虛選件，將E8663B信號(hào)源作為OSCA的觸發(fā)輸入，信號(hào)源83752A被放置在E8663B上來(lái)作為OSCA的信號(hào)輸入。第二，在硬件設(shè)備連接完成之后，將示波器A后面板上的數(shù)據(jù)傳輸接口使用IEEE488GPIB電纜連接在一起，并在上面接入NI公司的GPIB接口卡，將其USB口和計(jì)算機(jī)連接在一起，在示波器開(kāi)機(jī)預(yù)熱半個(gè)小時(shí)之后使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)OSCA進(jìn)行校準(zhǔn)控制。第三，示波器在校準(zhǔn)完成之后，將其信號(hào)源E8663輸出信號(hào)使用3.5mmSMA半硬電纜連接到OSCA前面板外觸發(fā)輸入端。第四，打開(kāi)兩個(gè)信號(hào)源，調(diào)整信號(hào)源E8663B輸出信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)OSCA的觸發(fā)操作，調(diào)整OSCA的觸發(fā)點(diǎn)平。

圖2 硬件設(shè)備的連接方案

（2）實(shí)驗(yàn)方案二

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)操作選擇使用一臺(tái)Aglient 86100系列的高速度取樣試驗(yàn)器，分配一個(gè)功率分配器，E8663B信號(hào)源和83752A信號(hào)源進(jìn)行硬件對(duì)接實(shí)驗(yàn)，操作步驟如下所示：第一，插入83484 50GHz電模塊虛選件，將E8663B信號(hào)源作為OSCA的觸發(fā)輸入，信號(hào)源83752A被放置在E8663B上來(lái)作為OSCA的信號(hào)輸入。第二，在硬件設(shè)備連接之后，將示波器A后面板數(shù)據(jù)傳輸接口使用IEEE488GPIB電纜連接在一起，并接入NI公司的GPIB接口卡，將其USB接口和計(jì)算機(jī)連接在一起，在示波器開(kāi)機(jī)預(yù)熱半個(gè)小時(shí)之后使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。第三，數(shù)據(jù)校準(zhǔn)之后信號(hào)源E8257D輸出信號(hào)使用3.5mmSMA半硬電纜接入到功分器中，經(jīng)過(guò)功分器的兩邊信號(hào)稱(chēng)為1路和Q路信號(hào)，通過(guò)使用不同的半硬電纜連接OSCA的CH1和CH2通道。第四，打開(kāi)信號(hào)源，由于功分器和OSCA之間是兩個(gè)長(zhǎng)度不同的半硬電纜，在使用的時(shí)候可以同時(shí)調(diào)整I和Q路的觸發(fā)器以及E8663B信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率，在這個(gè)期間要注重觀察示波器上的兩個(gè)正弦波信號(hào)，確保信號(hào)的正相交。

3.3 軟件

高速取樣示波器時(shí)基失真數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，PC機(jī)會(huì)通過(guò)GPIB的總線來(lái)對(duì)Agilent 86100系列示波器控制采集數(shù)據(jù)信息。裝載在PC機(jī)上的示波器控制軟件會(huì)通過(guò)GPIB總線和高速示波器連接在一起，NI公司的GPIB-USB接口卡配置了完整的程序接口，在PC機(jī)的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPIB儀器的精準(zhǔn)控制。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和不確定度的分析

通過(guò)時(shí)基失真數(shù)據(jù)信息獲取系統(tǒng)方案二測(cè)量Agilent86100系列時(shí)基失真正弦波，通過(guò)對(duì)這個(gè)波形信息的分析發(fā)現(xiàn)，在延遲時(shí)間為28ns和32ns的同一個(gè)取樣點(diǎn)位置上出現(xiàn)了相同的信號(hào)變化幅度數(shù)值，由此可以初步判定，Aglient86100系列示波器的時(shí)基失真具有周期性的屬性，基本周期為4ns。

為了能夠更好的驗(yàn)證時(shí)基失真周期性的結(jié)論，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)開(kāi)展驗(yàn)證分析，令信號(hào)源發(fā)出的正弦波頻率為0.1GHz,Aglient86100B和Aglient86100C取樣窗口設(shè)定為40ns，取樣點(diǎn)為4096個(gè)，時(shí)基失真周期特性圖如圖三所示。根據(jù)圖三的信息發(fā)現(xiàn)，每間隔4ns的時(shí)基失真數(shù)值就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)跳變點(diǎn)，按照觸發(fā)延時(shí)和數(shù)據(jù)分析證明了時(shí)基失真的周期屬性。通過(guò)試驗(yàn)分析證明，為了能夠獲得有效的時(shí)基失真數(shù)據(jù)，取樣窗口需要設(shè)定在5ns到10ns之間。

圖3 時(shí)基失真周期特性圖如圖

按照ISO不確定評(píng)估規(guī)范指南，不確定度表征合理賦予了被測(cè)量數(shù)值的分散性以及其和測(cè)試結(jié)果的相關(guān)參數(shù)。對(duì)時(shí)基失真的不確定度采用了標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評(píng)定方法，其中使用觀測(cè)列統(tǒng)計(jì)分析方法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱(chēng)作是不確定度的A類(lèi)評(píng)級(jí)，使用和觀測(cè)列不投的統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱(chēng)作是不確定度B類(lèi)評(píng)級(jí)。對(duì)時(shí)基失真開(kāi)展評(píng)估的使用使用了大量的波形數(shù)據(jù)，開(kāi)展了多組時(shí)基失真評(píng)估，時(shí)基失真的總體方差可以劃分為處理內(nèi)方差和處理間方差兩個(gè)部分。對(duì)于時(shí)基失真的評(píng)估來(lái)書(shū)，處理內(nèi)方差可以被定義為處理內(nèi)部的不確定度，處理間方差被定義為處理間的不確定度，總體方差被定義為時(shí)基失真估計(jì)的不確定度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析證明，不確定度對(duì)整個(gè)時(shí)基失真估計(jì)不確定的影響比較小，處理內(nèi)不確定度對(duì)時(shí)基失真不確定度的估計(jì)起到了十分重要的決定作用，最終決定使用處理內(nèi)不確定度來(lái)評(píng)估時(shí)基失真的總體不確定度。對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合計(jì)算得到Aglient86100B的時(shí)基失真估計(jì)的不確定度為0.01969ps，Aglient 86100C時(shí)基失真估計(jì)的不確定度為0.01382ps。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速取樣示波器是定量測(cè)量瞬時(shí)波形的重要工具，但是在實(shí)際測(cè)量操作中受到溫度、時(shí)間、元器件的限制，高速取樣示波器在等效取樣的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)時(shí)基誤差。且隨著高速取樣示波器寬帶的不斷增加，時(shí)基失真的現(xiàn)象也會(huì)日益凸顯，如何修正高速取樣示波器時(shí)基取樣誤差成為相關(guān)人員需要思考和解決的問(wèn)題。