探究宽带取样示波器的误差补偿法

2022-08-19陈彪魏丹魏锶钊

电子测试 2022年15期

陈彪，魏丹，魏锶钊

（沈阳工学院基础课部，辽宁抚顺，113122）

1 高速取样示波器时基失真概述

高速取样示波器在测量操作的时候需要严格遵循等效采样的操作原理，时基在获得信号之后，需要经过一段的延迟才能够出现触发脉冲。一般情况下，延迟反应的时间增量是相同的，但是在实际操作中，受示波器自身硬件电路的影响，使得示波器每次出现延迟的时间是不同的，最终导致采样的时基间隔也不相等，这个期间产生的时基误差被称作是时基失真。时基失真是高速取样示波器硬件系统运作时常出现的一种系统误差，这个误差会直接影响示波器的信号上升时间和频率宽带参数测量精准性。

2 高速取样示波器时基取样误差的综合评定

2.1 时基误差的影响评估

如果使用示波器来测量时间间隔，两个信号之间的间隔深受示波器在中间取样的影响，如果时基精准度不高，那么在实施操作的时候就会影响到示波器采样，最终影响测量的精准度。

时基误差测量精准度影响是两个信号间隔时间以及示波器精准度的乘积，即时基精准度=测量间隔x示波器的时基=1usx10-8=10-14S。按照这个结果，示波器如何测量1us间隔的信号，时基误差是不需要考虑的，如果测间隔时间是2s，测量精准度受时基影响量如表1和表2所示。

表1 双通道交换法示波器的测量结果

表2 三通道法示波器的测量结果

2.2 时基误差影响测量方法

经过测量分析，所选择使用的示波器基精准度为10-8,，评估时基误差对1us间隔测量所产生的影响，打造出如图1所示的测试电路，将脉冲分配放大器输出的信号接入到示波器的1通道中，另外一路通过相位微调仪器设备来输出信息。测量分为两步进行，第一步是将两个信号之间的时间差设定在1000ns，使用示波器测量二者之间的时间间隔。第二步是使用相位微调仪器设备来完成移相处理，在两个秒信号重合在一起的时候，记录相位微调移动相位的数值。

图1 示波器时基误差对测量影响的评估

2.3 时基误差影响测量结果

按照上文的测量分析方法开展三次试验分析，实验结果如表3所示，根据表三的信息我们发现，在最后没有将两个1pps信号完全对准，两个数据之间存在一定的时间差。一系列的测试分析证明，移相方式和示波器的测量方式符合度在测量允许的范围内，时基对1us间隔时间内测量精准度的影响不会超过50ps。

表3 时基误差测量影响结果

3 时基失真数据获取试验系统

3.1 硬件介绍

时基修正需要得到两交信号的支持，在信号的支持下能够获得更为精准的示波器特征参数，在开展试验分析时所使用的设备包含一台高速度取样示波器主机、一台取样示波器的模块、两个信号源、一台PC机、低损耗的电缆和接头。

3.2 时基失真数据获取系统的打造

对高速取样示波器的时基失真开展精准修正的一个重要关键是如何精准的获取Agilent86100系列示波器的时基失真数据。想要实现对时基失真数据的综合评估需要大量的多相位、多频率被测量数据。美国实验室将希尔博特变换器将一路正弦波信号划分为两路理想的正弦波信号，之后根据现有的实验仪器情况和算法需求，打造出两种时基失真数据获取实验系统。在实验系统中选择5GHz和8GHz两种频率的正弦波信号，每一个频率的信号采集20组相位正交信号。

（1）实验方案一

使用Aglient 86100系列高速示波器、83484取样模块、E8663B信号源和83752A信号源，在中国计量科学研究院脉冲参数实验室内部开展硬件对接实验，硬件设备的连接情况如图二所示。具体的试验操作如下：第一，插入83484 50GHz电模块虚选件，将E8663B信号源作为OSCA的触发输入，信号源83752A被放置在E8663B上来作为OSCA的信号输入。第二，在硬件设备连接完成之后，将示波器A后面板上的数据传输接口使用IEEE488GPIB电缆连接在一起，并在上面接入NI公司的GPIB接口卡，将其USB口和计算机连接在一起，在示波器开机预热半个小时之后使用计算机控制系统来对OSCA进行校准控制。第三，示波器在校准完成之后，将其信号源E8663输出信号使用3.5mmSMA半硬电缆连接到OSCA前面板外触发输入端。第四，打开两个信号源，调整信号源E8663B输出信号的频率，实现对OSCA的触发操作，调整OSCA的触发点平。

图2 硬件设备的连接方案

（2）实验方案二

第二个实验操作选择使用一台Aglient 86100系列的高速度取样试验器，分配一个功率分配器，E8663B信号源和83752A信号源进行硬件对接实验，操作步骤如下所示：第一，插入83484 50GHz电模块虚选件，将E8663B信号源作为OSCA的触发输入，信号源83752A被放置在E8663B上来作为OSCA的信号输入。第二，在硬件设备连接之后，将示波器A后面板数据传输接口使用IEEE488GPIB电缆连接在一起，并接入NI公司的GPIB接口卡，将其USB接口和计算机连接在一起，在示波器开机预热半个小时之后使用计算机控制系统对其数据进行校准。第三，数据校准之后信号源E8257D输出信号使用3.5mmSMA半硬电缆接入到功分器中，经过功分器的两边信号称为1路和Q路信号，通过使用不同的半硬电缆连接OSCA的CH1和CH2通道。第四，打开信号源，由于功分器和OSCA之间是两个长度不同的半硬电缆，在使用的时候可以同时调整I和Q路的触发器以及E8663B信号源的输出信号频率，在这个期间要注重观察示波器上的两个正弦波信号，确保信号的正相交。

3.3 软件

高速取样示波器时基失真数据获取系统中，PC机会通过GPIB的总线来对Agilent 86100系列示波器控制采集数据信息。装载在PC机上的示波器控制软件会通过GPIB总线和高速示波器连接在一起，NI公司的GPIB-USB接口卡配置了完整的程序接口，在PC机的作用下能够实现对GPIB仪器的精准控制。

3.4 实验结果和不确定度的分析

通过时基失真数据信息获取系统方案二测量Agilent86100系列时基失真正弦波，通过对这个波形信息的分析发现，在延迟时间为28ns和32ns的同一个取样点位置上出现了相同的信号变化幅度数值，由此可以初步判定，Aglient86100系列示波器的时基失真具有周期性的属性，基本周期为4ns。

为了能够更好的验证时基失真周期性的结论，设计了实验开展验证分析，令信号源发出的正弦波频率为0.1GHz,Aglient86100B和Aglient86100C取样窗口设定为40ns，取样点为4096个，时基失真周期特性图如图三所示。根据图三的信息发现，每间隔4ns的时基失真数值就会出现一个跳变点，按照触发延时和数据分析证明了时基失真的周期属性。通过试验分析证明，为了能够获得有效的时基失真数据，取样窗口需要设定在5ns到10ns之间。

图3 时基失真周期特性图如图

按照ISO不确定评估规范指南，不确定度表征合理赋予了被测量数值的分散性以及其和测试结果的相关参数。对时基失真的不确定度采用了标准的不确定度评定方法，其中使用观测列统计分析方法评定标准不确定度称作是不确定度的A类评级，使用和观测列不投的统计方法评定标准不确定度称作是不确定度B类评级。对时基失真开展评估的使用使用了大量的波形数据，开展了多组时基失真评估，时基失真的总体方差可以划分为处理内方差和处理间方差两个部分。对于时基失真的评估来书，处理内方差可以被定义为处理内部的不确定度，处理间方差被定义为处理间的不确定度，总体方差被定义为时基失真估计的不确定度。经过试验分析证明，不确定度对整个时基失真估计不确定的影响比较小，处理内不确定度对时基失真不确定度的估计起到了十分重要的决定作用，最终决定使用处理内不确定度来评估时基失真的总体不确定度。对获得的数据信息进行综合计算得到Aglient86100B的时基失真估计的不确定度为0.01969ps，Aglient 86100C时基失真估计的不确定度为0.01382ps。