探究寬帶取樣示波器的誤差補償法

陳彪，魏丹，魏鍶釗

（沈陽工學院基礎課部，遼寧撫順，113122）

1 高速取樣示波器時基失真概述

高速取樣示波器在測量操作的時候需要嚴格遵循等效采樣的操作原理，時基在獲得信號之后，需要經過一段的延遲才能夠出現觸發脈沖。一般情況下，延遲反應的時間增量是相同的，但是在實際操作中，受示波器自身硬件電路的影響，使得示波器每次出現延遲的時間是不同的，最終導致采樣的時基間隔也不相等，這個期間產生的時基誤差被稱作是時基失真。時基失真是高速取樣示波器硬件系統運作時常出現的一種系統誤差，這個誤差會直接影響示波器的信號上升時間和頻率寬帶參數測量精準性。

2 高速取樣示波器時基取樣誤差的綜合評定

2.1 時基誤差的影響評估

如果使用示波器來測量時間間隔，兩個信號之間的間隔深受示波器在中間取樣的影響，如果時基精準度不高，那么在實施操作的時候就會影響到示波器采樣，最終影響測量的精準度。

時基誤差測量精準度影響是兩個信號間隔時間以及示波器精準度的乘積，即時基精準度=測量間隔x示波器的時基=1usx10-8=10-14S。按照這個結果，示波器如何測量1us間隔的信號，時基誤差是不需要考慮的，如果測間隔時間是2s，測量精準度受時基影響量如表1和表2所示。

表1 雙通道交換法示波器的測量結果

表2 三通道法示波器的測量結果

2.2 時基誤差影響測量方法

經過測量分析，所選擇使用的示波器基精準度為10-8,，評估時基誤差對1us間隔測量所產生的影響，打造出如圖1所示的測試電路，將脈沖分配放大器輸出的信號接入到示波器的1通道中，另外一路通過相位微調儀器設備來輸出信息。測量分為兩步進行，第一步是將兩個信號之間的時間差設定在1000ns，使用示波器測量二者之間的時間間隔。第二步是使用相位微調儀器設備來完成移相處理，在兩個秒信號重合在一起的時候，記錄相位微調移動相位的數值。

圖1 示波器時基誤差對測量影響的評估

2.3 時基誤差影響測量結果

按照上文的測量分析方法開展三次試驗分析，實驗結果如表3所示，根據表三的信息我們發現，在最后沒有將兩個1pps信號完全對準，兩個數據之間存在一定的時間差。一系列的測試分析證明，移相方式和示波器的測量方式符合度在測量允許的范圍內，時基對1us間隔時間內測量精準度的影響不會超過50ps。

表3 時基誤差測量影響結果

3 時基失真數據獲取試驗系統

3.1 硬件介紹

時基修正需要得到兩交信號的支持，在信號的支持下能夠獲得更為精準的示波器特征參數，在開展試驗分析時所使用的設備包含一臺高速度取樣示波器主機、一臺取樣示波器的模塊、兩個信號源、一臺PC機、低損耗的電纜和接頭。

3.2 時基失真數據獲取系統的打造

對高速取樣示波器的時基失真開展精準修正的一個重要關鍵是如何精準的獲取Agilent86100系列示波器的時基失真數據。想要實現對時基失真數據的綜合評估需要大量的多相位、多頻率被測量數據。美國實驗室將希爾博特變換器將一路正弦波信號劃分為兩路理想的正弦波信號，之后根據現有的實驗儀器情況和算法需求，打造出兩種時基失真數據獲取實驗系統。在實驗系統中選擇5GHz和8GHz兩種頻率的正弦波信號，每一個頻率的信號采集20組相位正交信號。

（1）實驗方案一

使用Aglient 86100系列高速示波器、83484取樣模塊、E8663B信號源和83752A信號源，在中國計量科學研究院脈沖參數實驗室內部開展硬件對接實驗，硬件設備的連接情況如圖二所示。具體的試驗操作如下：第一，插入83484 50GHz電模塊虛選件，將E8663B信號源作為OSCA的觸發輸入，信號源83752A被放置在E8663B上來作為OSCA的信號輸入。第二，在硬件設備連接完成之后，將示波器A后面板上的數據傳輸接口使用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口和計算機連接在一起，在示波器開機預熱半個小時之后使用計算機控制系統來對OSCA進行校準控制。第三，示波器在校準完成之后，將其信號源E8663輸出信號使用3.5mmSMA半硬電纜連接到OSCA前面板外觸發輸入端。第四，打開兩個信號源，調整信號源E8663B輸出信號的頻率，實現對OSCA的觸發操作，調整OSCA的觸發點平。

圖2 硬件設備的連接方案

（2）實驗方案二

第二個實驗操作選擇使用一臺Aglient 86100系列的高速度取樣試驗器，分配一個功率分配器，E8663B信號源和83752A信號源進行硬件對接實驗，操作步驟如下所示：第一，插入83484 50GHz電模塊虛選件，將E8663B信號源作為OSCA的觸發輸入，信號源83752A被放置在E8663B上來作為OSCA的信號輸入。第二，在硬件設備連接之后，將示波器A后面板數據傳輸接口使用IEEE488GPIB電纜連接在一起，并接入NI公司的GPIB接口卡，將其USB接口和計算機連接在一起，在示波器開機預熱半個小時之后使用計算機控制系統對其數據進行校準。第三，數據校準之后信號源E8257D輸出信號使用3.5mmSMA半硬電纜接入到功分器中，經過功分器的兩邊信號稱為1路和Q路信號，通過使用不同的半硬電纜連接OSCA的CH1和CH2通道。第四，打開信號源，由于功分器和OSCA之間是兩個長度不同的半硬電纜，在使用的時候可以同時調整I和Q路的觸發器以及E8663B信號源的輸出信號頻率，在這個期間要注重觀察示波器上的兩個正弦波信號，確保信號的正相交。

3.3 軟件

高速取樣示波器時基失真數據獲取系統中，PC機會通過GPIB的總線來對Agilent 86100系列示波器控制采集數據信息。裝載在PC機上的示波器控制軟件會通過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機的作用下能夠實現對GPIB儀器的精準控制。

3.4 實驗結果和不確定度的分析

通過時基失真數據信息獲取系統方案二測量Agilent86100系列時基失真正弦波，通過對這個波形信息的分析發現，在延遲時間為28ns和32ns的同一個取樣點位置上出現了相同的信號變化幅度數值，由此可以初步判定，Aglient86100系列示波器的時基失真具有周期性的屬性，基本周期為4ns。

為了能夠更好的驗證時基失真周期性的結論，設計了實驗開展驗證分析，令信號源發出的正弦波頻率為0.1GHz,Aglient86100B和Aglient86100C取樣窗口設定為40ns，取樣點為4096個，時基失真周期特性圖如圖三所示。根據圖三的信息發現，每間隔4ns的時基失真數值就會出現一個跳變點，按照觸發延時和數據分析證明了時基失真的周期屬性。通過試驗分析證明，為了能夠獲得有效的時基失真數據，取樣窗口需要設定在5ns到10ns之間。

圖3 時基失真周期特性圖如圖

按照ISO不確定評估規范指南，不確定度表征合理賦予了被測量數值的分散性以及其和測試結果的相關參數。對時基失真的不確定度采用了標準的不確定度評定方法，其中使用觀測列統計分析方法評定標準不確定度稱作是不確定度的A類評級，使用和觀測列不投的統計方法評定標準不確定度稱作是不確定度B類評級。對時基失真開展評估的使用使用了大量的波形數據，開展了多組時基失真評估，時基失真的總體方差可以劃分為處理內方差和處理間方差兩個部分。對于時基失真的評估來書，處理內方差可以被定義為處理內部的不確定度，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基失真估計的不確定度。經過試驗分析證明，不確定度對整個時基失真估計不確定的影響比較小，處理內不確定度對時基失真不確定度的估計起到了十分重要的決定作用，最終決定使用處理內不確定度來評估時基失真的總體不確定度。對獲得的數據信息進行綜合計算得到Aglient86100B的時基失真估計的不確定度為0.01969ps，Aglient 86100C時基失真估計的不確定度為0.01382ps。

4 結束語

高速取樣示波器是定量測量瞬時波形的重要工具，但是在實際測量操作中受到溫度、時間、元器件的限制，高速取樣示波器在等效取樣的時候會出現時基誤差。且隨著高速取樣示波器寬帶的不斷增加，時基失真的現象也會日益凸顯，如何修正高速取樣示波器時基取樣誤差成為相關人員需要思考和解決的問題。