示波器通道时延差校准与时基误差估计

示波器通道时延差校准与时基误差估计

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示波器通道时延偏差校准与时基误差估计

李孝辉 王丹妮 张慧君 边玉敬

中国科学院国家授时中心 陕西省西安市临潼区书院东路3号 710600

摘要：在进行高精度时差或相位测量时，由于测量设备各通道时延的不一致性会影响测量结果，本文分析了示波器通道时延偏差的测量方法。同时，也分析了示波器的时基误差对测量结果的影响。

关键词：通道 时延 测量

1 引言

现在，很多场合需要高精度的时差测量，在进行ns 级和更高精度的时差测量时，设备通道时延已经成了必须要考虑的因素，我们测量结果表明，SR620计数器两个通道的时延差约为0.1ns~0.5ns ，在测量时必须要考虑。

另外，测量设备时基也是影响测量精度的另一个重要因素，如果测量设备的时基不准，会影响测量结果，在工程应用中，需要分析时基对测量结果的影响。

本文研究了我们使用多通道示波器（54855AgilentA ）的通道偏差和时基误

差估计方法。

2 示波器通道时延偏差校准

示波器的不同通道，时延值并不相同，两个通道间时延差称为通道时延偏差。本节分析通道时延偏差的校准方法，并比较两种校准方法。

2．1 校准方法

共有两种校准方法，一种是双通道交换法，另一种是三通道法。

双通道交换法的原理如图1所示。实验分两次，首先，将S A 信号送入示波

器1通道，将S B 信号送入示波器2通道，两个通道的时延值分别为L 1和L 2，则示波器测量两个信号的时延差与实际值是有偏差的。示波器测量值为：

)()(121L S L S Value B A +-+=

然后，将S A 信号送入示波器2通道，将S B 信号送入示波器1通道，两个通

道的时延值分别为L 1和L 2，则示波器测量值为：

)()(212L S L S Value B A +-+=

两次测量结果平均，就扣除了通道时延偏差：

B A S S Value Value -=+221 两次测量结果相减，就可以计算出通道时延偏差：

212

21L L Value Value -=-

三通道法的原理如图2所示。引入第三个通道，接入信号S C 。实验分两步，第一步，先把S A 接入1通道，测量1通道和3通道信号的时延差。假定示波器

通道3的时延为L 3，则示波器的读数为： )()(331L S L S Value C A +-+= 然后，把S A 接入2通道，测量2通道信号和3通道信号的时差，计数器读

数为：

)()(432L S L S Value C A +-+=

第二步，先把S B 接入1通道，测量1通道和3通道信号的时延差。假定示波器通道3的时延为L 3，则示波器的读数为：

)()(531L S L S Value C B +-+=

然后，把S B 接入2通道，测量2通道信号和3通道信号的时差，计数器读数为：

)()(632L S L S Value C B +-+=

整理四个测量值，可以得到扣除通道时延的S A 和S B 之间的时差：

B A S S Value Value Value Value -=-+-2

6453 2．2 双通道交换法试验过程

示波器

S A

S B 通道1通道2

示波器S B S A 通道1

通道2示波器

S A S A

通道1通道2S C 通道3

示波器S B S B 通道1通道2S C 通道3

图2 三通道法校准示波器通道时延偏差

用双通道交换法进行时延测试，将两个秒信号作为信号源，测量两信号中间电平之间的时差。首先，将将S A送入示波器1通道，将S B送入示波器2通道，测量三个值，然后将S A送入示波器2通道，将S B送入示波器1通道，再测量三个值，六个值的测量在下表列出：

表1 双通道交换法示波器的测量结果

通道S A接1通道S A接2通道

测量次数 1 2 3 1 2 3

15.1204 15.1151 15.1207 15.0915 15.0956 15.0975 测量结果

(ns)

测量误差秒信号抖动误差：10ps

中间电平误差：4ps

读数误差：2ps

计算得到两个秒信号实际时差为：15.1068

示波器1通道和2通道时延偏差23.9ps

2．3 三通道法试验过程

用同样的两个信号，使用三通道法测量时延。另外使用脉冲分配放大器输出的信号作为S C。

将S A接入1通道，用示波器测量S A和S C的时差，记录三次。然后，将S B接入1通道，用示波器测量S B和S C的时差，记录三次。测量结果在表2中列出。

表2 三通道法示波器的测量结果

通道S A接1通道S B接1通道

测量次数 1 2 3 1 2 3

15.1026 15.1065 15.1136 0 －0.0036 -0.0028 测量结果

(ns)

测量误差秒信号抖动误差：10ps

中间电平误差：4ps

读数误差：2ps

两个信号的时差为：15.1097ns。

通道偏差没有测量。

2．4 通道校准方法比较

两种测量方法得到的信号时差符合度为2.9ps，小于测量误差，可以认为这两种方法是等价的，都可以消除示波器的通道误差。

3 示波器时基误差评定

我们用的示波器时基准确度度只有10－8量级，这会对时延的测量造成一定影响，这里评定这种影响的大小。

3．1 时基误差影响估计

如果用示波器来测量时间间隔，两个信号间的间隔决定于示波器在这中间的采样，如果时基的准确度不高，肯定会影响到示波器的采样，这样就影响到测量的精度。

测量的精度是两信号之间间隔与示波器时基准确度的乘积。如果要测量的间隔是1μs，示波器的时基在1μs间隔内准确度是10－8，则测量的精度受时基的影响是：