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行準確測量，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確度的幾個關鍵因素，對時延測量準確度的提高提出了參考方法，并舉例進行了不確定度評定。

關鍵詞:數(shù)字存儲示波器;時延;采樣率;上升時間

中圖分類號:TN811 文獻標識碼: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，時延測量在各個領域有著越來越廣泛的應用。示波器制造水平的不斷提高，技術(shù)性能突飛猛進，各項技術(shù)指標達到前所未有的技術(shù)水平，也使得時延測量有了更高的準確度。

二、影響時延準確度的因素

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行時延測量需要了解示波器的各項技術(shù)指標對時延測量準確度的影響，以便確認示波器是否滿足時延測量的準確度要求。

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

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確度與上述各因素有關。

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為≤10ps，若要進一步提高測量準確度，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，影響測量準確度，70000系列示波器觸發(fā)抖動指標為1ps，增強觸發(fā)啟動時觸發(fā)抖動指標為100fs，可以滿足測量準確度的要求。

(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確度時延的關鍵。當示波器的各個通道都采用25Gs/s的采樣率時，其相鄰采樣點間隔為40ps，采樣率越高，采樣間隔越小，時間測量準確度越高，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)指標中[1]，時延測量準確度為:

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，當使用高采樣速率進行長時延測量時，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確度為±(2.5×10-6)，在進行長時延測量時，時基準確度是影響高準確度時間測量的主要因素，若要提高準確度，可以在示波器的10MHz標準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行測量時，噪聲和信號的幅度比對測量準確度的影響較大，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到其他方法無法達到的效果。在實際工作中，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次重復后相加的值和為:

在采樣點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，我們通過實際測量進行驗證，下表為實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確度的影響

參考文獻:

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

[2]林木欣.近代物理實驗教程[M ].北京:科學出版社，1995.

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