（信号与信息处理专业论文）nosetonose校准技术的性能比对与功能扩展.pdf

摘要 “n o s e t o - n o s e ”校准技术是一种宽带取样示波器的校准方法，相对于传统 的校准方法，它具有设备简单、自适应性强且能实现对示波器的全面校准等优点。 本文从“n o s e t o n o s e ”校准技术的基本原理出发，主要对“n o s e t o n o s e ”校准 技术的性能比对和功能扩展进行研究、讨论。 全文分如下几个部分进行阐述： 第一、简单介绍了“n o s e - t o i n o s e ”校准技术。首先，介绍了“n o s e - t o - n o s e ” 校准技术的基本原理；其次，介绍了“n o s e - t o n o s e ”校准技术的优势：最后， 介绍了“n o s e 砌n o s e ”校准技术的实验。 第二、介绍了“n o s e t o n o s e ”校准技术的数据预处理过程。首先，介绍了 选通脉冲泄漏及其去除方法；其次，介绍了时基抖动及其补偿方法；最后，介绍 了反射及其去除方法。 第三、介绍了n o s e _ t o - n o s e ”校准技术与扫频源法的比对。首先，介绍了 n o s e t o - n o s e ”校准技术获取示波器冲激响应、阶跃响应、过渡时间、幅频特性 和相频特性的各种算法。其次，介绍了扫频源法；最后，介绍了两种方法的比对 结果。 第四、重点介绍了n o s e _ t o - n o s e ”校准技术的功能扩展。首先，介绍了带宽 相差较大的“n o s e t o - n o s e ”校准技术；其次，介绍了基于“n o s e t o n o s e ”校准 技术的脉冲标准法；再次，介绍了基于“n o s e - t o _ n o s e ”校准技术的时域网络分 析仪；最后，介绍了基于“n o s e t o n o s e ”校准技术的高速脉冲源。 关键词n n r 校准技术：比对；脉冲标准法；时域网络分析仪； 高速脉冲源 a b s t r a c t n o s e - t o - n o s e c a l i b r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi sab r o a d b a l l ds a m p l i n g0 s c i l i o s c o p e s c a l i b r a t i o nm e t l l o d c o m p a r e dw i mt r a d i t i o n a lc a l i b 枷o nm e m o d ，i t se x c e l i e n c e sa f e s i i n p l ee q u i p i n e m ，s 乜d n ga d a p t a b i t ya i l dg e n e r a lc a l i b r a t i o n t h i sa n i c l es t a r t sf 如m i n t r o d u c i n g 恤p r i n c i p l eo f ”n o s e t 0 一n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c l l i l o l o g y ，a n dt 1 1 e nt h e p e r f b m a l l c ec o m p a r i s o na n dn l ee x t e n s i o n ”n o s e - t o n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g ya r e d i s c u s s e de m p h a t i c a l l y t h i sp 印e ri sd e s c r i b e di ns e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s d y ，r n o s e t o _ n o s e ”c a l i b m t i o nt c c l l n o l o g yi ss i m p l yi n t r o d u c e d a tf i r s t ，m e p r i n c i p l eo f ”n o s e t o - n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y i si n 仃o d u c e d a n dt t l e nm e a d v 龃乜g e so f ”n o s e - t o - n o s e ”c a l i b 洲o nt e c h n o l o g ya r cm e m i o n e d a tl a s t t 1 1 e ”n o s e t o n o s e ”c a l i b r a t i o ne x p e m e i 】_ ti si i l 仕o d u c e d s e c o n d l y 也ep r e p r o c e s s i n ga 1 9 0 r i t h m so f n o s e - t o _ n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c l l i l o l o g y a r ei n 仃0 d u c e d a tf i r s tm el e a k i n go fm es t r o b ep u l s ea 1 1 di t sr c m o v i n gn l e t l l o da r e i n 仃o d u c e d a n dm e nt h et i m i n g j 诳e ra n di t sc o m p e n s a t i o nm e t h o da r em 仃o d u c e d a t l a s tm er e f l e c t i o na 1 1 di t sr e m o v i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d t 1 1 i r d l y ，也er e s u l t so f n o s e t o n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g ya 1 1 ds w e p t _ s i n e m e m o da r ec o m p a r e d a tf i r s t ，m e a l g o r i t h m s f o r ”n o s e t o - n o s e ”c a l i b r a t i o n t c c h i l 0 1 0 9 ya c q l l i r i n gt h ep a r a m e t e r sa r ei n t m d u c e d ，i n c l u d i n gt 1 1 ea l g o r i t h m sf o r a c q l l i r i n gt 1 1 ei l p l l l s er e s p o n s e ，t h es t 印r e s p o n s e ，m er i s et i m e ，t h ea m p i i t u d e r e s p o n s ea r l dt l l ep h a s er e s p o n s e a n d 也e ns w e p t - s i n em e t l l o di si n 仃1 ) d u c e d a t l a s t t h ec o m p 耐s o nr e s u l t sa r ed i s c u s d f i n a i l y ，t 1 1 e e x t e n d e d n o s e _ t o n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c l l i l o l o g yi si n 们d u c e d 锄p h a t i c a l l y a tf i r s t ， ”n o s e t o n o s e ”c a l i b r a t i o n t c c l l i l o l o g y w h e nb 姐d 、i d t h d i 髓r e n c e sa r er e l a t i v e l yl a 唱ei si m r o d u c e d a n d 也e n 也ep m s es t ；眦d a r db a s e do n n o s e t o n o s e c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c “t h i r d l y ，t h et i m ed o m a i n n e t w o r ka l l a l y z e rb a s e do n n 0 s e t o n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c h n o i o g yi si n 仃0 d u c c d a t l a s t 山el l i 曲- s p e e dp u l s er e s o u r c eb a s e do n n o s e - t o - n o s e ”c a l i b r a t i o nt c c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d k e y w o r d s 。i n o s e t o j n o s e ”c a l i b r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ；c o m p 盯i s o n ；p u l s es 扭n d a r d ；t i m e d o m a i nn e t w o r ka 1 1 a l y z e r ；h i g h - s p e e dp u l s er c s o u r c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：圣这鲣日期：! ! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此舰 签名：王跤鲣导师签名： 日期： 0 6 占6 一 友一 鼢单 1 1 课题背景 第1 章绪论 在现代电子技术飞速发展的今天，人们对示波器和信号源的要求也越来越 高。而随着科技的不断发展和深入研究，高速信号和高速系统越来越频繁地出现， 因此对示波器及其校准工作也提出越来越高的要求。 随着示波器技术的不断发展，传统的校准方法( 详尽模型法、脉冲标准法、 扫频源法) 均存在各自的弊端，已不能满足现代校准要求。详尽模型法是根据取 样电路实际的物理结构，精密地测量出取样电路的几何尺寸，再利用电磁学、电 子学和微波网络等理论，由测得的几何尺寸计算出取样电路的等效电路模型。详 尽模型法的优点是利用取样电路模型就能精确计算出系统的传递特性。但详尽模 型法具有通用性差的缺点，且随着取样技术的不断进步，带宽的不断提高，取样 电路的几何尺寸越来越小，精确测量它们的尺寸变得越来越困难，甚至无法实现。 脉冲标准法的主要思想是用形状和参数已知的标准脉冲对取样示波器进行测量， 利用反卷积算法求出取样示波器的冲激响应。脉冲标准法是用来校准示波器的， 而校准所需的标准脉冲同样需要过渡时间更短的另一台校准好的取样示波器进 行校准，即标准脉冲和校准仪器是彼此决定而又相互依赖的关系。因此，脉冲标 准法陷入了如同“鸡生蛋还是蛋生鸡”的困境中。扫频源法是利用标准微波功率 计校准宽带扫频合成正弦信号的输出功率，然后将己校准的宽带扫频正弦信号源 作为取样示波器的校准信号，观察示波器的输出。扫频源法的设备复杂且昂贵， 并且无法获取相位信息。因此迫切需要一种更加科学、更加合理的校准技术的出 现。 上世纪9 0 年代初一种新的示波器校准技术，“n o s e t o _ n o s e ” ( 以下简称 “n 1 n ”) 校准技术被提出，“n t n ”校准技术是一种自校准技术，它能精确给出 宽带取样示波器的冲激响应、阶跃响应、过渡时间、幅频特性和相频特性。该项 技术一经提出，就在测量校准领域中获得了广泛的关注，并且经过多年的研究， 该技术已经逐步走向成熟。 “n t n ”校准技术的诸多优点己得到了广泛认可，然而，并不是所有示波器 “n t n ”校准技术的诸多优点己得到了广泛认可，然而，并不是所有示波器 北京工业大学工学硕士学位论文 都能用“n t n ”校准技术进行校准。首先，“n t n ”校准技术是针对具有平衡取 样头电路结构的取样示波器提出的，并且，要求用于“n t n ”校准实验的取样示 波器具有相同或相似的带宽。这样，能够运用“n t n ”校准技术进行校准的取样 示波器的数量变得十分有限。本文在基于“n t n ”校准理论基础上，首次对“n t n ” 校准技术进行了扩展研究，使“n t n ”校准技术的应用空间更为广泛。 1 2 国内外相关内容的研究现状 1 9 9 0 年，h e w l e t t p a c k a r d 的工程师k e n r l l s h 发现当取样示波器h p 5 4 1 2 4 t 对直流进行取样时，会在输入端产生一个脉冲【l 】。k - e n r u s h 认为这个脉冲包含 有取样示波器的系统特性，且正比于取样示波器的冲激响应。1 9 9 4 年，k e n r u s h 和比利时的j 嬲p e c h t 博士继1 9 9 0 年之后再次公开二人的研究成果。将输入端 出现的脉冲命名为“k i c k - o u t ”脉冲，分析了产生“l ( i c k o u t ”脉冲的原因，是由 于取样电路中的直流电压k 。不为零造成的，并从理论上进一步论证了 “k i c k o u t ”脉冲正比于取样示波器系统冲激响应的关系，大量的仿真结果也证 实了这一结论。“k i c k o u t ”脉冲可以通过另外一台取样示波器进行测量，这就是 “n t n ”校准技术【2 】0 初步设计了“n t n ”校准技术的实验方案，并将实验结果 与扫频源法的校准结果进行了比较，在确保扫频源法的校准精度的前提下，由 “n t n ”校准技术得到的幅频特性曲线不仅与由扫频源法得到的曲线有较好的重 复性好，而且更加光滑，证实了“n t n ”校准技术的可行性【2 】。 “n t n ”校准技术提出后，很快就得到了广泛的关注，成为计量、测试领域 的一个研究热点。在比利时，“n t n ”校准技术被列为国家科学研究基金项目； 1 9 9 9 年前后，美国n i s t ( n a t i o n a li n s t i t i l t co fs t a i l d a r da i l dt e c l l i l o l o g y ) 也加入 到“n t n ”技术的研究中来，做了大量的工作，取得了很多成果。为了使“n t n ” 技术能够真正地应用于高速取样示波器的校准，又有许多专家对“n t n ”技术的 不确定度进行了研究【l “。 近几年来，以g i l l e sma _ 嘶s 和a l e s s a n d r 0f e 它r o 为首的学者研究将模糊理 论引入到测量的不确定度分析中。g i l l e s m a i l r i s 和l 锄i a b e r r a l l 等人首先提出可 以将可能性理论，即模糊理论用于测量的不确定度分析，使得不适用于概率统计 分析方法的测量也可以用模糊理论的方法得到较好的不确定度评定p i 。 第1 苹绪论 我国也对“n t n ”校准技术进行了多年的研究，并取得了显著的成果。北京 工业大学的刘明亮教授从1 9 9 9 年就开始了“n t n ”校准技术的研究工作；通过 多年的研究，已完成了对“n t n ”校准技术的理论研究、电路仿真、实验设计、 数据采集和数据分离等工作；利用n n 4 ”校准技术获取取样示波器a g i l e n t 8 6 1 0 0 刖b 的系统特性，建立我国新的脉冲参数国家基准；并于2 0 0 5 年9 月在中 国计量科学研究院通过了国家级鉴定，得到了我国科学界的认定。哈尔滨工业大 学的林茂六教授也曾对“轴c k o u t ”脉冲的产生机理进行了研究m l 。 “n t n ”校准技术具有明显优于传统校准法的优势：首先，这是一种自校准 方式，不需要其它任何的校准工具；其次，“n 1 n ”校准技术可精确获得示波器 取样电路的幅频响应和相频响应；最后，若取样电路的结构发生变化，“k i c k o u t ” 脉冲就会产生相应的变化，即删”校准技术具有很强的自适应性。此外，通 过对n n 0 ”校准技术的实际校准结果与扫频源法结果的比对来看，其校准精度也 高于传统的校准方法。 “n t n ”校准技术是针对h p 这类具有平衡取样头电路结构的取样示波器提 出的。多年来，国内外对于“n 1 n ”校准技术的研究也一直围绕h p 5 4 1 2 0 t 、 a g i l e n t 8 6 1 1 7 a 、a 百l e n t 8 3 4 8 4 等a g i l e n t 公司生产的宽带取样示波器进行，使得 “n t n ”校准技术的应用范围十分有限。因此，迫切需要对“n t n ”校准技术进 行更为深入的研究。 1 3 课题的来源及意义 1 3 1 课题来源 本课题是国家专款项目一“基于n t n 校准技术的脉冲波形参数国家基准的 研究与建立”的工作延续，由北京工业大学电子信息与控制工程学院现代信号 处理与d s p 应用技术研究室，和中国计量科学研究院信息计量与测试研究所合 作完成。 1 3 2 课题意义 目前，我国脉冲波形参数国家基准的过渡时间为2 5 p s ，远远低于国际先进 水平，这极大地限制了我国高速脉冲测试水平地进一步发展。本课题的主要目的 就是基于“n t n ”校准技术，对进口宽带取样示波器( a g i l e n t 8 6 l o o a b ) 进行 精确校准，建立新的脉冲波形参数国家基准( 带宽约为5 0 g h z ，过渡时间8 d s 左右) a 为了验证“n t n ”校准结果的准确性，本文应用我国最先进的微波信号 源对宽带取样示波器在0 5 0 g h z 的频带内进行扫频源法的校准，并将结果与 “n t n ”法进行比对研究。比对结果表明，两种方法的结果非常接近，因此可以 判定“m m ”校准技术是有效的。 另方面，由于“n t n ”校准技术本身的局限性，极大的限制了“n t n ” 校准技术的应用范围，本文通过对“n t n ”校准技术的深入研究，首次提出了扩 展的“n t n ”校准技术，并通过理论分析、仿真研究和实验结果充分证实了扩展 的“n t n ”校准技术的有效性。扩展的“n t n ”校准技术主要包括：带宽相差较 大的“n t n ”校准技术：基于“n t n ”校准技术的脉冲标准法；基于“n t n ” 校准技术的时域网络分柝仪；基于n t n ”校准技术的高速脉冲源。通过对“n t n ” 校准技术的扩展研究，使得该项技术具有了更加广泛的应用空间。 本课题具有重大的社会效益。首先，建立基于“n t n ”校准技术的脉冲国家 参数基准( 8 p s ) ，达到或接近国际先进水平，利用此基准可以对2 0 p s 以上的脉 冲源直接进行校准。其次，利用反卷积算法可以对十几个皮秒甚至几个皮秒的脉 冲源进行校准。 传统的“n t n ”校准技术要求取样示波器的带宽相同或相近，而带宽相差较 大的“n t n ”校准技术理论的证实，取消了对于取样示波器带宽的限制。基于 “n t n ”校准技术的脉冲标准法利用“n t n ”校准技术产生的系统特性已知的高 速脉冲信号，解决了我国目前无法获取高速标准脉冲的难题。基于“n t n ”校准 技术的时域网络分析仪，该方法能够计算出带宽高于测试设备的幅频特性、相频 特性和冲激响应，比传统方法适用范围更广，测量得到的结果更为精确。基于 n t n ”校准技术的高速脉冲源是对基于“n t n ”校准技术的脉冲标准法的推广 应用。目前，利用该项技术能够获得过渡时间最快为7 p s 左右的脉冲信号，随着 可购买到的宽带取样示波器带宽的不断提高，能够得到上升时间越来越短的高速 脉冲信号源。扩展的“m 附”校准技术的证实消除了对于带宽和示波器型号的限 制，并且将“n t n ”理论应用到了其它的科学实践当中。 1 4 本文主要研究内容 本文通过多年的研究，至此已基本达到了预期的研究目标。同时，本课题组 在“n t n ”理论的基础上，对扩展的“n t n ”校准技术进行了多方面的研究，并 将长期致力于该领域的研究。本文将对“n t n ”校准技术进行全面阐述，并对 n t n ”校准技术与扫频源法的比对研究和“n t n ”校准技术的功能扩展作重点介 绍。其中“n t n ”校准技术的功能扩展具体内容包括：不同带宽示波器间的“n t n ” 校准技术；基于“n t n ”校准技术的脉冲标准法；基于“n t n ”校准技术的时域 网络分析仪；基于n t n ”校准技术的高速脉冲源。 下面将分章节对以上内容进行介绍： 第一章、对本文的课题背景、国内外研究现状以及课题意义进行简单介绍； 第二章、对“n t n ”校准技术进行全面介绍，包括“n m ”校准技术的基本 原理及其优势，并重点介绍了“n t n ”校准实验； 第三章、介绍“n t n ”校准技术的数据预处理，包括时间抖动的去除、选通 脉冲泄漏的去除和反射的影响及去除； 第四章、介绍了“n t n ”校准技术结果与扫频源法结果的比对，包括“n m ” 校准技术的数据处理、扫频源法简介和两种方法的比对结果； 第五章、介绍了n t n ”校准技术的功能扩展，包括：带宽相差较大的“n i n ” 校准技术，基于“n t n ”校准技术的脉冲标准法，基于“n t n ”校准技术的时域 网络分析仪，基于“n t n ”校准技术的高速脉冲源。 ，一。一! ! ： ，些耋三型鉴耋三塑耋耋堡鎏，： ：一。一一，! 第2 章n o s e t o n o s e 校准技术 本文主要是基于“n t n ”校准原理对“n t n ”校准技术进行扩展研究。因此， 在这一章里将对“n t n ”校准技术进行全面介绍，首先介绍了“n t n ”校准技术 的基本原理；其次，说明了“n t n ”校准技术的技术优势；最后，对“n t n ”校 准实验进行了描述。 2 1n o s e t o n o s e 校准技术的基本原理 “n t n ”校准技术的本质是：当一台取样示波器对内置的直流信号进行取样 时。其输入端会产生一个名为“k i c k o u t ”的脉冲信号。研究发现，此脉冲信号 包含了这台取样示波器的全部系统特性，且正比于取样示波器的冲激响应p j 。因 此，利用“l ( i c k - o 毗”的脉冲信号的这个特点，可以对示波器进行校准。 产生“k i c k o u t ”脉冲信号是“n t n ”校准技术的前提，经研究发现【】， 只有当取样示波器的取样电路具有双微波二极管取样头结构时，“l ( i c k o u t ”脉冲 才会产生。 这里仅以取样示波器h p 1 4 3 0 a 为例，对其双微波二极管取样头的等效电路 进行简要分析，如图2 1 所示。其中5 0 m v 的内置直流电压就是o f f 如t 电压，是 产生“k i c k o u t ”脉冲的关键。另外两个2 v 的直流电压是二极管的偏置电压，保 证二极管反向偏置。r ，和恐是偏置电阻，和p 知是选通脉冲，一般是对 称的选通脉冲发生器，c 垤，和c 幻是保持电容，d ，和b 是决定电路是否导通 的二极管，是5 0 q 的负载。 第2 章n 0 s e t o - n o s e 校准技术 c h l = 4 p f b 1 k ( t ) 摇 r d z 亍 i f c h z占 = p f 图2 1 具有平衡取样头结构的取样电路 当。凰e t 电压为零时，d ，和仍的导通和截止发生在同一时刻，即选通脉冲 低于偏置电压时，二极管截止，选通脉冲上升到偏置电压的数值，并超过二极管 的阈值电压，二极管开始导通。此时，选通脉冲泄露到输入端的信号是等值反向 的，所以其作用效果相互抵偿。 图2 2 二极管导通时间的关系 当。脑e t 电压不为零时，d ，和肪的导通和截止不再是发生在同一时刻，如 图2 2 所示。假设二极管的阈值电压为锄，则选通脉冲，大于盯一+ 咖 时二极管d ，导通，即在f 嘞阶段，选通脉冲，对电容c 充电。选通脉冲j 7 小于一+ p 蕊，+ 锄时二极管功导通，即在沪匀阶段，选通脉冲对电容c 仉 充电。而在其它时刻，二极管截止。 t lkbt t 图2 - 3 “k i c k - o u t ”脉冲的等效激励源 综上所述，由于电路平衡对称，且选通脉冲又是对称的三角波，所以选通脉 冲哳抵偿了一部分选通脉冲p 名j 。产生“k i c k o u t ”脉冲的真正的电路激励信号 如图2 3 所示。这是一个梯形周期信号，其周期等于选通脉冲信号的周期，其幅 值为2 扭r 。图中“f ：，f ，f 。均为常数，可以求出：r ：一f = 一= 出。 因此，“k i c k o u t ”脉冲产生的机理可以概括为：由于。圩s e t 电压不为零，使 得平衡电路失衡，造成部分选通脉冲泄露，形成了“h c k o u t ”脉冲的等效激励 源，在输入端形成了“k i c k 。o u t ”脉冲。 “k i c k o u t ”脉冲信号的产生是“n t n ”校准技术存在的前提。因此，具有 双微波二极管取样头结构的取样示波器才能用“n t n ”校准技术进行校准。目前， 具有平衡取样门结构的取样示波器模块有h p 5 4 1 2 0 t 、a 西l e n t 8 6 7 a 和 a g i l e m 8 3 4 8 4 a 等a g i l e n t 公司的宽带取样示波器( 8 】。这些取样示波器模块均可以 产生“k i c k - 0 u t ”脉冲，并可运用“n m ”校准技术对其进行校准。这一结论已 经过实验验证。另一方面，对于不具备平衡取样门结构的取样示波器( 如t e 姗o i l i x 公司的t d s 8 2 0 0 ) ，虽然其无法产生“k i c k o u t ”脉冲，但可用一台经过“n t n ” 校准且系统特性已知的a g i l e n t 取样示波器作为脉冲源去激励这台取样示波器， 这样运用反卷积技术1 1 同样可以求出其系统特性，这一内容将在以后的章节中 给予介绍。 “n t n ”校准技术的基本原理可用图2 4 说明，其中取样示波器用其等效简 化模型表示【2 1 。两台相同的取样示波器的输入端相互连接起来，当示波器a 对 一内置的直流电压信号( o 仃s e t ) 取样时，在输入端口将产生一个“虹c k o u t ”脉 图2 _ 4 “n t n ”校准对接原理图 冲信号七( f ) ；示波器b 对此“k i c k - o u t 像冲信号进行测量，得到的测量结果为y ( f ) 。 经过理论分析发现，“h c k - o u t ”脉冲和取样示波器a 的冲激响应九( r ) 成正比， 即 七( f ) = 所矗 ( f ) ( 2 - 1 ) 其中m 为常数，由所测量的直流电压信号和取样头电路的特性决定。得到的测量 信号y ( r ) 为 y ( r ) = 七o ) 日( f ) = m o ) 厅占( r ) ( 2 2 ) 由于两台取样示波器的系统特性完全相同，即 o ) 掌 b p ) ( 2 3 ) 将( 2 3 ) 式代入( 2 2 ) 式并做傅里叶变换 】，( 国) = ，矩h j ( 国) ( 2 - 4 ) 利用上式就可得到两台取样示波器的频率特性 州班州妒等 ( 2 _ 5 ) 最后，再对式( 2 5 ) 做傅立叶反变换就可以得到两台取样示波器的冲激响 应以( f ) 和( f ) 。 实际上，无法找到完全相同的两台取样示波器，因此本课题使用三台示波器 两两对接，通过列方程组求解三台取样示波器的冲激响应，三台取样示波器的三 次对接如图2 5 所示。 图2 - 5 三台取样示波器的两两对接 以 。( 一) 、( 行) 、( 片) 分别表示a 、b 、c 三台取样示波器的冲激响应， 以珊、，z 。、m c 分别表示a 、b 、c 三台取样示波器“k i c k o u t ”脉冲与冲激响 应之间的比例系数，以y 。b 伽) 、_ y b c ( n ) 、y “( ) 分别表示a b 对接、b c 对接、 c a 对接得到的“k i c k o u t ”响应脉冲，可以得到 y b ( 月) = 聊 九( 以) + j i z 口( 打) y m ( 玎) = 坍日厅b ( ”) + ( ”) ( 2 6 ) 【y c h ( 聆) = m c ( n ) ( 疗) 由( 2 6 ) 式通过反卷积计算可以得到a 、b 、c 三台取样示波器模块的幅频 响应和冲激响应。 日( j j ) = 点( 后) = 日c ( _ j ) =厩面河i 可百 瓦而一而 ( 2 7 ) l 办。( 以) = 嬲丁【日。( 豇) 】 矗b ( 胛) = 脚丁 口( 尼) 】( 2 8 ) l 矗c ( ，z ) = 脚r 【日c ( 膏) 一一一一一一 一一一一一一 一一一 ，。，。 ，。垂耋耋尘鍪坚盐：塑：l 垫奎 一，；。一， ：，；。 2 2n o s e t o n o s e 校准技术的技术优势 通过上面的介绍不难发现，“n t n ”校准技术具有传统校准方法无法比拟的 优点。 首先，“n t n ”校准技术是一种自校准方法，不需要任何额外校准设备，只 需将三台取样示波器两两对接就能实现。避免了脉冲标准法中的是鸡生蛋还是蛋 生鸡的问题。 其次，“m m ”校准技术能够获得取样示波器的相频特性，解决了扫频源法 中无法解决的相位信息丢失的问题。 第三，“n t n ”校准技术中的“k i c k o u t ”脉冲是取样电路对内置直流电压取 样的结果，当电路参数发生变化时，“妣b o u t ”脉冲也会相应的发生变化，相对 于取样电路详尽模型法，具有更好的通用性。 最后，校准环境和测试环境一致，可以减少测量的系统误差，这是一种很难 得的情况。 综上所述，“n t n ”校准技术在很大程度上克服了传统取样示波器校准方法 诸多不足之处，有望成为校准领域新的国际标准。在我国现有条件下，即无法准 确获得高速标准脉冲信号的情况下，“n t n ”校准技术已经成为校准宽带取样示 波器的最佳选择。同时，利用取样示波器能够产生“k i c k o u t ”脉冲信号这一特 性，可以将宽带取样示波器作为高速脉冲信号源使用，填补我国高速脉冲信号源 的空白。 2 3n o s e t o n o s e 校准实验 前面介绍了“n t n ”校准技术的基本原理及其优势，本节主要介绍“n 1 n ” 校准实验，包括设备的连接、设置和数据采集，有关数据处理的详细内容将在下 面的章节中详细介绍。 脉冲参数国家基准的建立，需要对大量的原始数据进行分析和处理，因此， 真实、可靠地采集原始数据，是取得精确结果的基本前提。 2 3 。1 实验设备的连接 根据“n t n ”校准技术的原理，需要对三台不同取样示波器进行两两对接， 将采集到的数据进行处理，就能得到三台示波器的系统特性。一台完整的宽带取 样示波器由主机和模块组成，而示波器的特性完全由模块来决定，因此校准宽带 取样示波器实质上就是对示波器模块的校准。本课题使用的用于建立脉冲参数国 家基准的取样示波器为a g i l e n t 公司生产的8 6 l o o 系列宽带取样示波器及相应的 示波器模块、适配器等，包括：宽带取样示波器主机a 西i e n t 8 6 1 0 0 a 和 a g i l e n t 8 6 1 0 0 b ，其前后面板分别如图2 6 和图2 7 所示；取样示波器模块 a 西1 e n t 8 3 4 8 4 a 和两台a 西l e m 8 6 1 1 7 a ( 如图2 - 8 所示) 。此外还需要用于发出同 步触发信号的t d r 模块a g i l e n t 5 4 7 5 4 a 一台( 如图2 9 所示) ，用于p c 机与取 样示波器连接的g p i b u s b 接口卡一块，以及用于连接宽带取样示波器的电缆、 适配器等设备。“n m ”校准实验需要三次对接，下面仅以一次对接为例说明连 接方法。 图2 6 ag 1 e n l 8 6 1 0 0 a b 的前面板 。一，! 一；。一。 篓三耋二坠喾尘：望些堡童些奎，；。： ! ，。， 图2 7a 西l e n t 8 6 1 0 0 a b 的后面板 图2 - 8 示波器模块a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 和a g i l e n t 8 6 1 1 7 a 1 3 - 图2 - 9t d r 模块a 垂l e n t 5 4 7 5 4 a 示波器主机a 西l e m 8 6 1 0 0 b 上安装有示波器模块a g i i e n t 8 3 4 8 4 a ，该示波器 作为信号源，发出“k i c k o u t ”脉冲信号；示波器主机a g i l e m 8 6 l o o a 上安装有示 波器模块a g i l e n t 8 6 1 1 7 a - 2 6 、) r 模块a g i i e n t 5 4 7 5 4 a ，该示波器作为表，对源 发出的“h c k - o u t ”脉冲信号进行观察。实验设备连接框图如图2 1 0 所示。 e i l e i i t 8 6 1 0 0 b 图2 1 0 实验设备连接框图 n ) r 模块a g i l e m 5 4 7 5 4 a 的第一通道用一条t d r 电缆与a g i i e m 8 6 1 0 0 b 前 面板触发端相连，一个转接头将a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 的第一通道和a g i l e n t 8 6 1 1 7 a 一2 6 ，：。! ，! 。：。， ! ! ：，。! 量：! 耋二! 呈彗尘望筌：g ! ：l i l l 耋。，一! 。，：。，! 的第一通道相连，两台示波器主机通过g p i b 总线与一台电脑相连。“n t n ”校 准技术的实际硬件连接如图2 1 l 所示。 图2 1l “n ”校准技术硬件实际连接 第二组对接用a g i 】e n t 8 6 1 1 7 a j 6 替换a 百l e n t 8 3 4 8 4 a 的位置做源， a 舀l e n t 8 6 1 1 7 a _ 2 4 替换a g i l e n t 8 6 1 1 7 气_ 2 6 的位置做表；第三组对接 a 舀l e n t 8 6 1 1 7 - 2 4 做源，a 舀l e n t 8 3 4 8 4 a 做表，其它连接情况不变。 2 3 2 实验仪器的设置 在实验中a g i l e m 8 6 1 0 0 b 作为“h c k o u t ”脉冲源，a g i l e r l t 8 6 l o o a 作为 “h c k o u t ”脉冲接收器。将两台取样示波器的模块连接好后，接通电源，首先 预热3 0 分钟左右，然后分别对两台取样示波器进行校准。校准完成后，断开电 源，进行硬对接。再打开电源，按照衷2 i 、2 _ 2 分另u 对两台取样示波器进行设 置。 表2 - lag i l e m 8 6 1 0 0 b 设置 s c a l e 2 0 m v d i v c h a l l l e l3 o f r s n1 5 0 m v b a n d w d t h5 0 g h z t i m e 5 0us ，d i v h o r i z o n 诅i d e l a y2 8n s m o d u l el e r b a n d w i d t h d c _ 2 5 g t r i 鹊e r s 1 0 d e u p l e v e l1 0 0 m v a v e r a g e o f f p o i n t s1 6 m o d e 0 s c i l l o s c o p e 表2 - 2 a 百l e n t 8 6 1 0 0 a 的设置 s c a l e 2 0 m v d i v c h a n n e l3o f 珏e to m v b a i l d 、v i d t h5 0 g h z t i m e 1 0 0 p s ，d j v h o r i 乃o n t a l d c l “7 0 n s a v e r a g e o “6 4 p o j n t s 1 0 2 4 m o d e t d r t d r r a t e 1 9 9 k h z 设置完成后就能在a g i l e m 8 6 1 0 0 a 上观察到“k i c “o u t ”脉冲信号，如图2 - 1 2 所示： - 1 6 图2 一1 2 示波器上观察到的“k i c k - o u t ”脉冲的响应波形 如果在a g i l e n t 8 6 1 0 0 a 上观察不到“k i c k o u t ”脉冲的响应波形，调节 a g i l e n t 8 6 1 0 0 a 的延迟时间，直到在示波器上观察到“k i c k o u t ”脉冲的响应波形 为止。 仪器如何设置是实验中最关键的一步，因为“l 【i c k o u t ”脉冲很难捕捉，只 有当示波器的各种设置都合适的时候才能在示波器上观察到这个信号。本课题实 验中的设置是经过多次试验，最终确定下来的。另外，实验连接也是一个难点， 在开始的实验中，用电缆连接两台示波器，之后为了减少连接设备带来的影响， 改用带宽更宽的转接头来连接两台示波器。由于转接头尺寸非常小，两台示波器 需要在三维空间上完全对齐才能顺利地将转接头装好。 2 3 3 实验数据采集 每次对接完成后都能在a g i l e m 8 6 l o o a 宽带取样示波器上观察到“k i c k o u t ” 脉冲响应波形。为了在数据处理中去除选通脉冲泄漏的影响，每次对接都要对作 为源的a g i l e m 8 6 1 0 0 b 宽带取样示波器设置+ 1 5 0 m v 和一1 5 0 m v 两种偏置电压，并 对这两种情况下产生的“k i c k o u t ”脉冲响应波形进行采集；另一方面，由于去 北京工业大学工学硕士学位论文 除时间抖动算法的需要，本课题利用作表的a 西l e n t 8 6 1 0 0 a 的平均功能对测量得 到的“l 【i c k o u t ”脉冲的响应波形进行了6 4 次平均，最终，采集到的是经过6 4 次平均，且正负两种偏置电压的数据。接下来的一章中将详细介绍如何对这些数 据进行处理。 2 4 小结 本章重点介绍了“n t n ”校准技术的基本原理。“n t n ”校准技术的本质是： 当一台具有平衡取样头电路结构的取样示波器的偏置电压圪。不为零时，就会 在其输入端产生一个名为“l 【i c k o u t ”的脉冲信号。研究发现，此脉冲信号正比 于取样示波器的冲激响应。再利用反卷积、滤波等技术就可以求出该取样示波器 的冲激响应、阶跃响应、过度时间和频率特性。 其次，对“n 烈”校准技术的技术优势进行了说明，通过上面的分析不难看 出，“n t n ”校准技术具有传统校准技术无法比拟的优势。 最后，对“n t n ”校准实验进行了详细的描述，主要包括三方面的内容：实 验设备的连接、仪器的设置和数据的采集。 第3 章n o s e t o n o s e 校准技术的数据预处理 “n t n ”校准实验的最终目的是获取示波器模块的系统特性。在上一章中通 过实验采集到取样示波器模块的“k i c k o u t ”脉冲响应波形之后，首先需要对数 据进行预处理。 “n t n ”校准理论中分析的是“l ( i c k o u t ”脉冲响应波形的理想情况，采集 到p c 机中的原始的“k i c k o u t ”响应波形由于受到外部和仪器自身的各种干扰， 实际采集到的“k i c k - 0 u t ”脉冲响应波形与理想值会有很大差别，因此在分离之 前必须进行数据预处理，进而消除或减小这些来自外部和仪器自身的影响。本文 涉及的数据预处理主要包括：时间抖动的去除、选通脉冲泄露的去除魏反射的去 除。其中，本文首次提出转接头与示波器连接处出现“h c k o m ”响应波形的反 射波对数据处理结果将产生影响，并找到了解决的方法。 3 。1 时间抖动的去除 受电路随机噪声及外界干扰的影响，取样电路的实际取样点相对于理想取样 点会产生水平抖动1 1 2 ，1 3 1 ，受抖动影响的“k i c k o u t ”脉冲响应波形如图3 一l 所示。 并且，随着采样间隔的不断减小，这种时间抖动对于“k i c k o u t ”脉冲响应波形 的影响也将变得越来越显著。 图3 受抖动影响的“k i