基于示波器的時延精確測量研究

摘要:本文針對如何利用數(shù)字存儲示波器對時延進(jìn)行準(zhǔn)確測量，本文以泰克公司的70000系列示波器為例，探討了在示波器中影響時間測量準(zhǔn)確度的幾個關(guān)鍵因素，對時延測量準(zhǔn)確度的提高提出了參考方法，并舉例進(jìn)行了不確定度評定。

關(guān)鍵詞:數(shù)字存儲示波器;時延;采樣率;上升時間

中圖分類號:TN811 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0024-01

一、引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，時延測量在各個領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。示波器制造水平的不斷提高，技術(shù)性能突飛猛進(jìn)，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到前所未有的技術(shù)水平，也使得時延測量有了更高的準(zhǔn)確度。

二、影響時延準(zhǔn)確度的因素

高性能數(shù)字示波器是測量信號時延的重要工具，利用高性能示波器進(jìn)行時延測量需要了解示波器的各項技術(shù)指標(biāo)對時延測量準(zhǔn)確度的影響，以便確認(rèn)示波器是否滿足時延測量的準(zhǔn)確度要求。

示波器使用DTA(Delta time accuracy)表示時延測量的準(zhǔn)確度

其中N為噪聲幅值，A為被測信號幅值， 為脈沖信號的上升時間，TBA為示波器時基準(zhǔn)確度，MI為被測時延，tj為采樣不確定性，由此可見時延的測量準(zhǔn)確度與上述各因素有關(guān)。

信號時延的測量還會受到示波器通道時間偏差、觸發(fā)、傳輸電纜等多個因素的影響，在實(shí)際測量中，需要考慮這些因素對測量結(jié)果的影響，對測量結(jié)果做出修正。

(一)通道時間偏差

泰克公司的70000系列示波器任意兩條通道之間的時間偏差指標(biāo)為≤10ps，若要進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度，可以使用示波器的自動偏移校正(deskew)功能，根據(jù)測試需求以小于1ps為單位消除時間偏差。

(二)觸發(fā)抖動

在示波器重復(fù)采集被測信號時，自身的觸發(fā)抖動會累加到被測信號上，影響測量準(zhǔn)確度，70000系列示波器觸發(fā)抖動指標(biāo)為1ps，增強(qiáng)觸發(fā)啟動時觸發(fā)抖動指標(biāo)為100fs，可以滿足測量準(zhǔn)確度的要求。

(三)傳輸電纜

為消除傳輸電纜對時延測量的影響，需要得到電纜的傳輸時間以修正測量結(jié)果，電纜的傳輸時間可以用以下兩種方法得出:

方法1 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量電纜的傳輸時間

方法2 根據(jù)電纜長度、材質(zhì)計算得出電纜的傳輸時間

通常采用的高頻電纜芯線為銅材，芯線與外層屏蔽之間采用聚乙烯材料，根據(jù)材質(zhì)選取ξr= 2.26 ，可計算得出1米長電纜的傳輸時間為5ns。

(四)采樣速率

高采樣率不僅能夠避免信號混疊，得到高保真的信號波形，同時它也是得到高準(zhǔn)確度時延的關(guān)鍵。當(dāng)示波器的各個通道都采用25Gs/s的采樣率時，其相鄰采樣點(diǎn)間隔為40ps，采樣率越高，采樣間隔越小，時間測量準(zhǔn)確度越高，因此，采用高采樣速率可以減小采樣的不確定度。

使用泰克公司的DPO70000系列示波器，當(dāng)噪聲和信號的幅度比足夠大，上升時間的影響忽略不計時，在DPO70000系列示波器技術(shù)指標(biāo)中[1]，時延測量準(zhǔn)確度為:

其中0.30是示波器采集系統(tǒng)常系數(shù)，通過與公式[1]比較得出，采用DPO70000時，采樣不確定性 ，可見采樣不確定性 與采樣率成反比。

(五)時延長度

在示波器中，采樣內(nèi)存=采樣時間×采樣速率，當(dāng)使用高采樣速率進(jìn)行長時延測量時，采樣時間過長使得需要的采集內(nèi)存超過了示波器的配置，便無法在同一采樣周期內(nèi)對時延較大的兩個信號進(jìn)行采集，也無法使用示波器的自動測量功能測量時延。此時須采用示波器的觸發(fā)延遲功能，既觸發(fā)后延遲一個固定時間再采集被測信號，此時可以用光標(biāo)測量信號的時延，也可使用自動測量功能分別測量兩個信號相對于示波器參考點(diǎn)的時延，所得的結(jié)果相減即為所需測量的信號之間的時延。

由公式[2]可以得出DPO70000系列示波器的時基準(zhǔn)確度為±(2.5×10-6)，在進(jìn)行長時延測量時，時基準(zhǔn)確度是影響高準(zhǔn)確度時間測量的主要因素，若要提高準(zhǔn)確度，可以在示波器的10MHz標(biāo)準(zhǔn)的外參考時鐘輸入端接入外部的高穩(wěn)時基來改善時間測量準(zhǔn)確度，如銣種、銫鐘等。對于短時延的測量，時基特性不會給時間測量準(zhǔn)確度造成很大的影響，因此采用示波器自身的時基即可。

(六)噪聲幅值

公式[1]可以看出，對上升時間較長的脈沖信號進(jìn)行測量時，噪聲和信號的幅度比對測量準(zhǔn)確度的影響較大，可以采用對信號多次平均的方法減少噪聲的影響。信號平均[2] 是用于不使信號失真減小的重疊噪聲技術(shù)，對消除廣泛范圍的噪聲可以達(dá)到其他方法無法達(dá)到的效果。在實(shí)際工作中，平均次數(shù)過多會使得測量時間過長，平均次數(shù)過少又達(dá)不到噪聲幅度的要求，因此需要合理選擇平均次數(shù)。

示波器采集到的信號幅度由信號幅度A(t)和噪聲幅度N(t)相加，即

f(t)=A(t) +N(t) [4]

在采樣周期內(nèi)，任何采樣點(diǎn)的幅度值是噪聲和信號的和，即

f( )=A( )+N( )(i=1，2，3，….，n) [5]

m次重復(fù)后相加的值和為:

在采樣點(diǎn)i位置的信號組成部分，各周期相同。如果信號穩(wěn)定，掃描十分均衡

在采集m次脈沖后， 信號幅值是各時間位置的m倍

在隨機(jī)干擾條件下， 假定信號與噪聲沒有聯(lián)系，噪聲幅度相加的值為0 ，假設(shè)第i次采樣噪聲的均方差值為 ，m次后的均方值為m ，均方根為

則m個周期后的噪聲與信號幅度比為:

因此，在平均m次的情況下，噪聲與信號幅度比降低 倍，我們通過實(shí)際測量進(jìn)行驗證，下表為實(shí)際測量的改變平均次數(shù)后噪聲幅度大小:

可以看出，噪聲幅度隨平均次數(shù)的變化大致滿足公式[8]，實(shí)際中可以利用公式[8]確定平均次數(shù)以降低噪聲對時延測量準(zhǔn)確度的影響

參考文獻(xiàn):

[1] DPO7000、DSA/DPO70000和DSA/DPO70000B 系列數(shù)字熒光示波器技術(shù)指標(biāo)和性能測試參考.泰克公司

[2]林木欣.近代物理實(shí)驗教程[M ].北京:科學(xué)出版社，1995.

[作者簡介]程翊昕，工程師，楊寧，助理工程師，工作單位:中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所。