CN1818670A - 一种校准宽带取样示波器的方法及其设备 - Google Patents

一种校准宽带取样示波器的方法及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子计量技术领域，其特征在于利用Agilent86100宽带取样示波器的特性，使其产生一个激励信号，用待校准的宽带取样示波器去测量该激励信号，再用计算机对测量数据进行相应的数字信号处理。本发明可实现对带宽小于50GHz的宽带取样示波器进行包括转换时间、带宽、幅率特性、相频特性在内的全面校准。

Description

一种校准宽带取样示波器的方法及其设备
技术领域
本发明涉及电子计量，尤其涉及宽带取样示波器计量技术领域。
背景技术
目前我国进口的最快的脉冲源是Fluke9500，其转换时间(也称过渡时间)为25ps。使用这种示波器，利用标准脉冲法只能校准14GHz以下的宽带取样示波器。目前我国进口的信号源带宽为50GHz，利用扫频源法只能校准带宽小于50GHz取样示波器。并且扫频源法只能获得示波器的幅频特性，无法对相频特性进行校准，所以无法得到宽带取样示波器的系统函数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种校准宽带取样示波器的方法及设备，尤其是提供一种对TDS8200、Agilent86100宽带取样示波器进行校准的方法及设备。
本发明所述方法的特征在于该方法依次含有以下步骤：
步骤1、把在时域反射模式的Agilent86100B宽带取样1上的时域反射计插件2的输出信号作为同步触发信号通过一个功率分配器7和电缆111发送到工作在示波器模式的Agilent86100A宽带取样示波器3，同时通过一个适配器81发送到待校准的宽带取样示波器5；
步骤2、所述Agilent86100A宽带取样示波器3接收到所述同步触发信号后，依次经过插件4、电缆112、适配器10、9、82后向所述待校准的宽带取样示波器5发出一个激励信号；
步骤3、在所述Agilent86100A宽带取样示波器3上设置正偏置电压，在所述待校准的宽带取样示波器5上设置平均采样次数后，该待校准的宽带取样示波器5把所接收到的激励信号的响应波形数据保存到一个移动硬盘12；
步骤4、把所述待校准宽带示波器5设置为不平均状态，把Agilent86100A宽带取样示波器3的正偏置电压改变设置为绝对值相等的负偏置电压，设置和步骤3相同的平均采样次数，使所述移动硬盘12保存一个负偏置电压的响应波形数据；
步骤5、把所述移动硬盘12连接到电脑13上，按下式计算，得到一个激励信号的响应波形y(n)：
                     y(n)＝k(n)*hf(n)*h(n)，
其中，k(n)为激励信号；hf(n)为电缆112及三个适配器82、9、10总的冲激响应，hf(n)为已知值；h(n)为待校准宽带取样示波器5的冲击响应，h(n)为实验值；
再依次经下述DFT变换、反卷积处理后，得到待校准的宽带取样示波器5的频率特性：
H ( k ) = Y ( k ) K ( k ) · H f ( k ) ,
其中，Y(k)为y(n)的频域表达式；K(k)为k(n)的频域表达式；Hf(k)为hf(n)的频域表达式。
本发明所述设备的特征在于它含有：
Agilent86100B宽带取样示波器1，装有Agilent54754A时域反射仪插件2以输出产生同步触发信号；
功率分配器7，输入端与所述Agilent86100B宽带取样示波器1上的时域反射仪插件2的同步触发信号的示波器相连；
Agilent86100A宽带取样示波器3，同步触发信号输入端与所属功率分配器7的一个相应输出端相连；
待校准的宽带取样5，同步信号输入端经适配器81和11后与所述功率分配器7的另一个输出端相连；激励信号输入端经适配器82、9、10、电缆112后与装在宽带取样示波器3上的插件4的信号输出端相连；
移动硬盘12，数据输入端与待校准宽带取样示波器5的相应数据输出端相连；
电脑13，输入端与所述移动硬盘的输出端相连。
达到的有益效果
可以对带宽小于50GHz的取样示波器进行全方位的校准，能够给出待校准示波器的转换时间、带宽、幅频特性和相频特性、系统函数和冲激响应。通过这种方法对TDS8200宽带取样示波器(标称带宽20GHz)进行校准，得到其过渡时间约为21.4Ps，带宽约为18.1GHz。通过这种方法对Agilent86100A宽带取样示波器(标称带宽50GHz)进行校准，得到其过渡时间约为9.46Ps，带宽约为53.4GHz，具体冲激响应、阶跃响应和幅频特性见下面的具体实施例。
附图说明
图1、本发明所述设备的连接图；
    1：Agilent86100B主机，
    2：Agilent54754A模块，
    3：Agilent86100A主机，
    4：Agilent83484A模块，
    5：TDS8200主机，
    6：TDS80E03模块，
    7：功率分配器，
    81、82：3.5mm双阳适配器两个，
    9：3.5阴-2.4阴适配器，
    10：2.4双阳适配器，
    11、111：3.5mm电缆两根，
    112：2.4mm电缆，
    12：移动硬盘，
    13：电脑，
图2、激励信号响应波形图；
图3、TDS8200取样示波器冲击响应图；
图4、TDS8200取样示波器阶跃响应图；
图5、TDS8200取样示波器幅频特性图；
图6、Agilent86117A取样示波器冲击响应图；
图7、Agilent86117A取样示波器阶跃响应图；
图8、Agilent86117A取样示波器幅频特性图；
图9、波形存储流程图；
图10、数据处理流程图。
具体实施方式
挖掘Agilent86100宽带取样示波器特性，使其产生一个激励信号，用待校准的宽带取样示波器测量该激励信号，对测量结果进行相应的数字信号处理，就可实现对带宽小于50GHz宽带取样示波器的全面校准。
这里以校准TDS8200宽带取样示波器为例，说明本方法。
本系统由一台电脑，两台宽带取样示波器Agilent86100A主机、Agilent86100B主机，一台被校宽带取样示波器TDS8200主机及若干电缆、适配器等构成。其中Agilent86100A作为信号发生器，安装有插件Agilent83484A(取样示波器插件)；Agilent86100B作为同步触发信号发生器，安装有TDR(TimeDomain Reflectometry，时域反射计)插件Agilent54754A；被校准TDS8200宽带取样示波器安装有插件TDS80E03(取样示波器插件)。具体实验设备连接框图如图1所示。
图1中取样示波器Agilent86100B工作在TDR模式；Agilent86100A工作在示波器模式；TDS8200工作在示波器模式。两台取样示波器插件Agilent83484A和TDS80E03通过电缆及适配器相连，TDR插件Agilent54754A的输出信号作为同步触发信号，通过一个功率分配器同时发送到示波器Agilent86100A和TDS8200的触发输入端，以确保示波器的同步。Agilent86100A接收到触发信号后，在信号输入端(通道三)发出一个激励信号，该激励信号通过电缆及适配器传送到TDS8200输入端(通道一)，这样在TDS8200上就能观察到该激励信号的响应波形。
完成实验系统连接后，接通电源，为保证校准精度，首先预热30分钟左右，然后分别对三台取样示波器进行通道校准。校准完成后，断开电源，按图1进行连接。再打开电源，按照表1、2、3所示分别设置三台取样示波器。
                   表1：Agilent86100A的设置
  Channel3/On   Scale   20mV/div
  Offset   300mV
  Bandwidth   50GHz
Horizontal   Time   50us/div
  Delay   28ns
  Trigger   module   Right
  slope   up
  Level   100mV
  Average   off
  Points   16
  Mode   Oscilloscope
 表2：Agilent86100B的设置
  Delay   70ns
  Mode   TDR
  TDR Rate   1.99kHz
            表3：TDS8200的设置
  Channel1/On   Scale   30mV/div
  Offset   0mV
  Bandwidth   20GHz
Horizontal   Time   50us/div
  Delay   29.89ns
  Average   16
  Points   1000
  Mode   Oscilloscope
设置完成后，在取样示波器TDS8200上观察到的波形如图2所示。
完成设置之后，就可以在TDS8200示波器上观察到激励信号响应波形，设置Agilent86100A的偏置电压offset为+150mV，TDS8200示波器平均次数设置为64，平均完成后保存波形数据到移动硬盘，这样完成了一次正偏置电压激励信号响应波形的数据采集。接下来，将TDS8200示波器设置为不平均状态，Agilent86100A的偏置电压offset设置为-150mV，其它设置不变，保存一个负偏置电压响应波形数据到移动硬盘。具体波形存储的流程见图9。
将移动硬盘上的数据转移到电脑上，进行数据处理。获得的实验数据可由下述方程表示：
                        y(n)＝k(n)*hf(n)*h(n)               (1)
其中，y(n)为TDS8200示波器上显示的波形(即激励信号响应波形)，k(n)为激励信号，hf(n为连接部件(电缆及适配器)的冲激响应(可以通过其他手段测量得到)，h(n)为待校取样示波器的冲激响应。对(1)式进行DFT变换，得到：
                   Y(k)＝K(k)·Hf(k)·H(k)                  (2)
经反卷积处理可得待校取样示波器的频率特性H(k)。
H ( k ) = Y ( k ) K ( k ) · H f ( k ) - - - ( 3 )
在实际的数据处理过程中，首先为了补偿选通脉冲泄漏引入的误差，需要对偏置电压分别取正、负值，并对相应的激励信号的响应波形进行平均处理。由于激励信号的响应波形由高速取样获得，必将产生时基抖动。我们采用补偿时基抖动的方法是PDF反卷积法，它基本上能够补偿时基抖动引入的误差。采用反卷积分离算法分离出TDS8200示波器的冲激响应，经积分，便得到阶跃响应，然后用直方图法求取过渡时间等激励信号的波形参数；另一方面，对示波器的冲激响应进行傅立叶变换可以获取其频率响应，实现对示波器的全面校准。具体数据处理流程图见图10。
按照上面的数据处理方法，得到TDS8200示波器的过渡时间约为21.4Ps，带宽约为18.1GHz。校准结果如图3、4、5所示。
将TDS8200换成一台装有标称带宽50GHz的86117A插件的Agilent86100A宽带取样示波器，其它操作不变，得到Agilent86100A的过渡时间约为9.46Ps，带宽约为53.4GHz。校准结果如图6、7、8所示。

Claims (2)

1.一种校准宽带取样示波器的方法，其特征在于该方法依次含有以下步骤：
步骤1、把在时域反射模式的Agilent86100B宽带取样(1)上的时域反射计插件(2)的输出信号作为同步触发信号通过一个功率分配器(7)和电缆(111)发送到工作在示波器模式的Agilent86100A宽带取样示波器(3)，同时通过一个适配器(81)发送到待校准的宽带取样示波器(5)；
步骤2、所述Agilent86100A宽带取样示波器(3)接收到所述同步触发信号后，依次经过插件(4)、电缆(112)、适配器(10)、(9)、(82)后向所述待校准的宽带取样示波器(5)发出一个激励信号；
步骤3、在所述Agilent86100A宽带取样示波器(3)上设置正偏置电压，在所述待校准的宽带取样示波器(5)上设置平均采样次数后，该待校准的宽带取样示波器(5)把所接收到的激励信号的响应波形数据保存到一个移动硬盘(12)；
步骤4、把所述待校准宽带示波器(5)设置为不平均状态，把Agilent86100A宽带取样示波器(3)的正偏置电压改变设置为绝对值相等的负偏置电压，设置和步骤(3)相同的平均采样次数，使所述移动硬盘(12)保存一个负偏置电压的响应波形数据；
步骤5、把所述移动硬盘(12)连接到电脑(13)上，按下式计算，得到一个激励信号的响应波形y(n)：
y(n)＝k(n)*hf(n)*h(n)，
其中，n为时域采样点；k(n)为激励信号；hf(n)为电缆(112)及三个适配器(82)、(9)、(10)总的冲激响应，hf(n)为已知值；h(n)为待校准宽带取样示波器(5)的冲击响应，h(n)为实验值；
再依次经下述DFT变换、反卷积处理后，得到待校准的宽带取样示波器(5)的频率特性：
H ( k ) = Y ( k ) K ( k ) · H f ( k ) ,
其中，Y(k)为y(n)的频域表达式；K(k)为k(n)的频域表达式；Hf(k)为hf(n)的频域表达式。
2.一种校准宽带取样示波器的设备，其特征在于它含有：
Agilent86100B宽带取样示波器(1)，装有Agilent54754A时域反射仪插件(2)以输出产生同步触发信号；
功率分配器(7)，输入端与所述Agilent86100B宽带取样示波器(1)上的时域反射仪插件(2)的同步触发信号的示波器相连；
Agilent86100A宽带取样示波器(3)，同步触发信号输入端与所述功率分配器(7)的一个相应输出端相连；
待校准的宽带取样(5)，同步信号输入端经适配器(81)和(11)后与所述功率分配器(7)的另一个输出端相连；激励信号输入端经适配器(82)、(9)、(10)、电缆(112)后与装在宽带取样示波器(3)上的插件(4)的信号输出端相连；
移动硬盘(12)，数据输入端与待校准宽带取样示波器(5)的相应数据输出端相连；
电脑(13)，输入端与所述移动硬盘的输出端相连。
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