探讨示波器测量时间间隔影响因素

　　示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

　　影响数字示波器时间测量不确定性的因素是：采样间隔和测量间隔。

　　采样间隔与示波器的测量内插算法和时基短期稳定性有关。

　　测量间隔与示波器时基有关力科WaveMaster系列示波器的时间间隔测量采用下述公式表示：±（（0.06 * 采样间隔） +（1 ppm的测量间隔））。这一公式反映了数字示波器上时间测量不确定性的两个主要来源。第二个部分（1 ppm的测量间隔）表示由于示波器时基导致的不确定性。WaveMaster系列示波器采用1 ppm的时基，这是当前的示波器时基。这个部分影响着较长的时间间隔。例如，如果测量的是1 GHz时钟（1 ns周期），那么由于时基导致的不确定性是1 fs。

　　时间间隔的个部分（0.06 * 采样间隔）与示波器的测量内插器和时基短期稳定性有关。在力科示波器中，时基对不确定性的影响非常小。内插器是测量信号越过一定门限值的时间位置的软件组件。鉴于力科提供了20 GHz的采样率，因此在大多数情况下必需使用内插。在任何一定边沿上存在三个或三个以下的样点时，示波器中会自动执行内插。在整个波形上不执行内插。但是，在测量中只内插越过门限周围的点。为找到越过点，我们使用立方内插，然后线性拟合到内插的数据，如图1所示。

图1 测量内插的图形视图，显示怎样在采样的波形上确定越过时间(TOC)

　　[ 图示内容：]

　　threshold: 门限

　　1. locate points bracketing threshold: 1. 定位越过门限的点

　　2. add new “cubicity” interpolated points: 增加新的”立方”内插点

　　3. estimate TOC “linearity”： 估算TOC“线性度”

 

　　内插取决于许多因素。主要因素是信号的跳变时间、采样率、垂直噪声和有效垂直分辨率。图2是通过使用简单的模型，利用8位数字化器以20 GS/s采样率对300 ps边沿信号的典型计算方式。信号幅度是全标的80%。垂直分辨率和时间分辨率之间的关系是：Dt = Dv/ dv/dt其中：Dt – 时间不确定性，Dv – 幅度不确定性，dv/dt – 跳变沿 对1 l.s.b.（1/256的全标）的垂直不确定性，以及在6个样点中0.8的全标的跳变沿（300 ps @ 50 ps/样点），等效时间不确定性为：

　　Dt = （1/256） / （0.8/6）= 0.03个采样周期

   图2 简单的模型，表明垂直不确定性与定时不确定性的映射关系

　　[图示内容：]

　　Measurement Threshold: 测量门限

　　Sample: 样点

　　由于采样周期是50 ps，这一测量的不确定性是1.5 ps。这种时间不确定性适用于任何一项测量。在数据处理上，为了使采集到的数据能真实的反映地层的实际情况，采取合理的采样间隔并对采集的数据进行数字滤波处理与平滑显得非常重要。

 

　　大多数这类测量不是以孤立方式进行的。多个测量允许用户研究测得值变化。与所有测量中一样，在多项测量中，测得值的中间值的不确定性会下降。对高斯分布，测量不确定性会以测量数量的平方根下降。因此，重复测量100次可以使采样中间值的提高10倍。图3显示了在700 MHz方波上进行20套period@ level参数测量的结果。每套测量都在包括35,000个周期的采集上执行。这会把指定的不确定性降低到大约16 fs。测量与频率计数器相关，频率计数器从同一个轴上绘制曲线。注意，示波器测量很好地位于归一化后的指标极限内，与计数器测量结果高度一致。下图的水平标度是每格20 fs。

  图3 在20次采集中进行period @ level测量的可重复性

　　[图示内容：]

　　Accuracy of P@Level For 700 MHz Sqaurewave: 700 MHz方波的P@Level

　　Counter Reading: 计数器读数

　　P@Level lower accuracy limit: P@Level下限

　　upper accuracy limit: 上限

　　Acquisition Number: 采集数量

　　Period （ns）： 周期（ns）

　　使用采样数据不会把定时测量限制在采样周期中。可以以皮秒级的分辨率在正确采样的波形上进行定时测量，并支持直到几十飞秒的中间值统计。