（信号与信息处理专业论文）皮秒脉冲参数国家基准的数据采集与处理技术.pdf

摘要 摘要 本文详细讨论了建立我国皮秒量级脉冲参数国家基准的数据采集技术与数 据处理技术。 本论文分如下四个部分进行阐述： 第一、从原理上介绍了建立我国脉冲参数国家基准的理论基础一一 n o s e t o - n o s e 校准技术，并讨论了n o s e t o - n o s e 校准技术的适用范围。 第二、介绍了建立脉冲参数国家基准的数据采集技术。首先，介绍了采集数 据所需的实验设备；其次，介绍了n o s e t o - n o s e 校准技术的实验步骤、仪器设置 和原始数据的采集方法：最后，分析了适配器和电缆的影响，研究并提出了测量 适配器和电缆特性的方法。 第三、介绍了建立脉冲参数国家基准的数据处理算法。首先，介绍了数据预 处理算法，包括时间抖动的去除、选通脉冲泄漏的去除和反射的去除；其次，介 绍了用于分离单台取样示波器模块冲激响应的反卷积算法，分析了反卷积滤波器 的引入对结果的影响：最后，介绍了获取脉冲参数的算法，包括冲激响应的获取、 阶跃响应的获取、上升时间的获取、幅频特性的获取和相频特性的获取。 最后、介绍了自动化测试软件的设计和使用方法。首先介绍了软件的开发环 境，简要介绍了v c + + 开发工具和g p i b 总线接口；其次，分别介绍了系统控制 软件、数据处理软件和用户界面的设计方法；最后，简要介绍了应用软件的使用 方法。 关键词：国家基准：脉冲参数：n o s e t o n o s e 校准技术 a b s t r a c t t h ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g ya n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi ne s t a b l i s h i n g t h en a t i o n a ls t a n d a r do fp u l s ep a r a m e t e ra l ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri sd e s c r i b e di nf o u rp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo ft h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fe s t a b l i s h i n gt h en a t i o n a l s t a n d a r do fp u l s ep a r a m e t e r - n t nc 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 e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o nr a n g eo f n t n c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi s d i s c u s s e d a tf i r s tt h ee q u i p m e n t s u s i n gi nd a t aa c q u i s i t i o na r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ee x p e r i m e n t a ls t e p ，t h es e t u po f t h ei n s t r u m e n t sa n dt h em e t h o do fa c q u i r i n gt h eo r i g i n a ld a t aa l ei n t r o d u c e d a tl a s t t h ei n f l u e n c eo ft h ea d a p t e ra n dt h ec a b l ei sa n a l y z e d ，a n dt h em e t h o d st ot e s tt h e s y s t e mc h a r a c t e r so ft h ea d a p t e ra n d t h ec a b l ea r er e s e a r c h e d t h i r d l y , t h ed a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa r er e s e a r c h e d a tf i r s tt h ep r e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gr e m o v i n gt h et i m i n gj i t t e r ，t h el e a k i n go ft h e s t r o b ep u l s ea n dt h er e f l e c t i o n a n dt h e nt h ed e c o n v o l u t i o ns e p a r a t i o na l g o r i t h mi s i n t r o d u c e d a n dt h ee 虢c to ft h ed e c o n v o l u t i o nf i l t e ri sa n a l y z e d a tl a s t t h e a l g o r i t h m sf o ra c q u i r i n gt h ep a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ea l g o r i t h m sf o r a c q u i r i n gt h ei m p u l s er e s p o n s e ，t h es t e pr e s p o n s e ，t h er i s et i m e ，t h ea m p l i t u d e r e s p o n s ea n dt h ep h a s er e s p o n s e f i n a l l y , t h em e t h o d sf o rd e s i g n i n ga n du s i n gt h ea u t o m a t i ct e s t i n gs o f t w a r ea r e i n t r o d u c e d a tf i r s tt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti n c l u d i n gv i s u a lc + + a n dg p i ba r e i n t r o d u c e db r i e f l y a n dt h e nt h em e t h o d sf o rd e s i g nt h es y s t e mc o n t r o l l i n gs o f t w a r e ， t h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ea n dt h eu s e r si n t e r f a c ea l ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y a t l a s tt h eu s i n gm e t h o do f t h i ss o f t w a r ei si n t r o d u c e di nb r i e f k e y w o r d s ：n a t i o n a lp r i m a r ys t a n d a r d ；p u l s ep a r a m e t e r ；n o s e t o - n o s ec a l i b r a t i o n 1 l - 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 上1 j 錾 签名：壁竺壬f i 期 关于论文使用授权的说明 碣日f 。竹 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规 签名：生! 茔导师签名 定) 趔坠盔。腻止血坚 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着现代电子技术的飞速发展，脉冲技术的应用也越来越广泛。而随着各 种应用技术如高精密雷达、数字通信、计算机技术的不断进步对脉冲技术和 脉冲测试技术也提出了越来越高的要求，需要对带宽达几十个g h z 、过渡时间 达几个p s 的脉冲进行测量。 在使用测试仪器( 如示波器) 对脉冲信号进行测量时，通常，我们认为在 仪器屏幕上显示的信号即为被测信号本身。但实际上，作为一个系统，测试仪 器会对被测信号产生影响，当测试仪器的带宽远远大于被测信号的带宽时这 种影响可以被忽略：而当被测信号的带宽同测试仪器本身的带宽接近时，这种 影响是不能忽略的。随着电子应用技术的不断进步，待测信号的带宽越来越高， 速度越来越快，这就使得测试仪器的带宽远大于待测信号的条件很难满足。因 此，我们在对高速脉冲信号进行测薰之前，必须首先通过某种方法或技术得到 测试仪器的系统特性，这样，就可以以此仪器为标准，在测量中扣除测试仪器 对测量结果的影响，从而实现对高速脉冲信号的精确测量。 仪器的系统特性包括时域特性和频域特性，其中时域特性可以用一系列脉 冲参数来表述。基本的脉冲参数定义如图1 - l 所示。 囤1 - i 基本脉冲参数 北京工业大学工学硕士学位论文 基本的脉冲参数有： ( 1 ) 脉冲幅度：指脉冲底值和顶值这两个量值的差值，如图1 1 中的a 。 ( 2 ) 脉冲上升时间( 或称前过渡时间) ：指脉冲幅度由1 0 上升到9 0 的 一段过渡时间。如图1 1 中的r ，。 ( 3 ) 脉冲下降时间( 或称后过渡时间) ：指脉冲幅度由9 0 下降到1 0 的 一段过渡时间。如图1 1 中的t ，。 ( 4 ) 脉冲的预冲：指脉冲上井时间前，波形有一下降失真b 。 ( 5 ) 脉冲的上冲( 或称前过冲) ：指紧接着脉冲上升时间后，超过顶值部 分的值c 。 ( 6 ) 脉冲的下冲( 或称后过冲) ：指紧接着脉冲下降时间后，超过底值部 分的值厂o ( 7 ) 衰减振荡( 或称阻尼振荡) 幅度：指紧接着上冲后，超过( 负向) 顶 值部分的值d 。 ( 8 ) 脉冲宽度：指在脉冲幅度为5 0 的两点之间的时间。如图1 1 中所示 的r 。 通常脉冲波形参数主要用上升时间来表征。因此，测量仪器的系统特性， 主要是获得仪器的冲激响应、频率响应和上升时间。 1 2 国内外相关内客的研究综述 建立脉冲参数基准有两个途径：一是以脉冲源作为基准，即获取脉冲参数 已知的脉冲源；二是以示波器作为基准，即获取示波器的系统特性。 英国n p l ( n a t i o n a lp h y s i c a ll a b ) 用光电取样技术，成功地产生了6 5 0 f s 的快速电脉冲源，但此系统体积庞大，只能固定在实验室中。而我国的脉冲参 数国家基准一直依赖于进口设备，目前最快的阶跃脉冲源是f l u k e 9 5 0 0 ，其上 升时间仅为2 5 p s 。 鉴于我国脉冲参数国家基准的现状，迫切要求用新技术建立新的脉冲参数 国家基准。而相对于以脉冲源作为基准，以示波器作为基准从技术上来说更加 容易实现。我国目前进口的带宽最高的示波器为a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 宽带取样示 第1 章绪论 波器( 带有标称带宽为5 0 g h z 的取样示波器模块a g i l e n t 8 6 1 1 7 a 和 a g i l e n t 8 3 4 8 4 a ) 。 以示波器作为基准，就要首先获取示波器的系统特性。传统的示波器校准 方法主要有：取样电路详尽模型法、标准脉冲法和扫频源法。 其中取样电路详尽模型法是基于对取样电路尺寸的精密测量，由此计算出 取样电路的等效电路模型，这种方法的通用性很差，取样头的电路结构稍一变 化就需要重新建立电路模型，并且随着取样技术的进步，取样电路的几何尺寸 越来越小，精确测量十分困难，这种方法已很难适应目前的校准需要。 标准脉冲法是将一个标准脉冲发生器的输出接入示波器，用反卷积计算求 出示波器的时域特性。以我国当前的技术，无法产生能够对几十个g h z 示波器 进行校准的标准脉冲。 扫频源法是用宽带合成扫频正弦信号源作为示波器的输入，用标准微波功 率计测量示波器的输出，很显然这种方法只能测出系统的幅频响应，而相频信 息完全丢失，由此获得的系统复传递函数带有明显误差。 可见，目前传统的校准方法都存在着各自的缺陷，已经不能满足对同益发 展的宽带取样示波器的校准。而下面将要介绍的称之为“n o s e t o - n o s e ”的校 准技术1 2 3 4 1 却能有效的克服传统校准方法存在的各种缺陷。 “n o s e t o n o s e ”( 简称为“n t n ”) 校准技术是取样示波器h p 5 4 1 2 4 t 设计 者、h p 公司的设计主管k r u s h 先生和比利时博士j v e r s p e c h t 提出的。它 的基本原理是：当取样示波器的直流电压偏置 o f f s e t ”不为零时，将产生一称之 为“k i c k o u t ”的脉冲信号流向输入端口。 经过理论分析发现，此“k i c k o u t ”脉冲 信号和取样示波器取样电路的冲激响应成正比。这样，我们就可以将两台相同 的取样示波器输入端对接，通过数据处理，就可以获得这两台示波器的系统函 数。 “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 t 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 n t n ”校准技术具有很强的自适应 性。此外，从“n t n ”校准技术的实际校准结果来看，其校准精度高于传统的校 北京工业大学工学硕士学位论文 准方法。 因此，我们有望利用n t n ”校准技术获取取样示波器a g i l e n t8 6 1 0 0 a b 的 系统特性，从而建立我国新的脉冲参数国家基准。 1 3 课题来源和意义 1 3 1 课题来源 国家专款项目，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，以及中国计量科学研究院无线电处脉冲波形参数研究室 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上升时间为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 1 0 0 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 ，上升时间8 p s 左 右) 。 本课题具有重大的社会效益。首先，可以建立新的脉冲参数国家基准，达 到或接近国际先进水平，利用此基准可以对2 0 p s 以上的脉冲源直接实现校准。 其次，利用反卷积算法可以对十几个p s 甚至几个p s 的脉冲源迸行校准。另外， 基于“n t n ”校准技术，利用a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 宽带取样示波器可以建立一 系统特性己知、上升时间为8 p s 左右的高速阶跃脉冲源，填补国家空白。 1 4 本文的主要研究内容 建立新的脉冲参数国家基准是一项长期而复杂的工作，其中包括基础理论 的研究、示波器取样电路原理的研究和仿真、数据处理算法的研究、实验平台 的搭建、数据的采集和处理以及测试结果的不确定度分析等许多方面的内容。 因此本文仅对其中的数据采集与处理技术作详细介绍，具体内容包括： 第1 章绪论 ( 1 ) 结合“n t n ”校准技术，介绍数据采集技术。 ( 2 ) 介绍“n t n ”校准技术中连接设备的影响及扣除方法。 ( 3 ) 设计和实现用于建立脉冲参数国家基准的各种数据处理算法。 ( 4 ) 编写自动化测试软件，实现以p c 机为核心的自动化测试系统。 下面将分章对以上内容进行介绍。 第二章从原理上介绍“n t n ”校准技术。 第三章介绍建立脉冲参数国家基准的数据采集技术，包括“n t n ”校准技 术的实验设备和实验步骤介绍，原始数据的采集：本章还研究了连接设备对实 验的影响。 第四章结合采集到的原始数据介绍数据处理算法，包括数据预处理、数据 分离和参数提取三部分内容。 第五章介绍用于建立脉冲参数国家基准的自动化测试软件的设计及使用方 法。 第2 章n o s e - t o - n o s e 校准技术 本文采用“n t n ”校准技术获取宽带取样示波器a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 的系统 特性，从丽建立我国颞的脉冲参数国家基准。正如第一章所述，“n t n ”校准 技术具有传统校准技术无法比拟的优势，并且符合我国目前的技术现状。由于 “n t n ”校准技术是建立脉冲参数国家基准的理论基础，因此本章将简单介绍 这一技术的基本原理及适用范围。 2 1n o s e 一 c o n o s e 校准技术的基本原理 “n t n ”校准技术是取样示波器h p 5 4 1 2 4 t 设计者、h p 公司的设计主管k r u s h 先生和比利时博士j v e r s p e c h t 提出的，此技术可以实现对任意带宽的取 样示波器进行自校准。迄今为止，它被认作是确定宽带取样示波器冲激响应 阶跃响应的一种最精密的校准技术。它的基本前提是：当取样示波器的直流偏 置电压不为零时，会在输入端产生一个极窄的脉冲。可以证明p 6j ，这个脉冲j 下 比于取样电路的冲激响应，称为“k i c k - o u t ”脉冲。在这一前提下，将a 、b 两 台取样示波器的输入端对接起来，其中a 的直流偏置电压不为零，输出正比于 a 的冲激响应的“k i c k o u t ”脉冲，b 对此脉冲采样，就可得到b 和a 两台取 样示波器冲激响应的卷积。如图2 1 所示。 图2 1 两台示波器模块的n t n 对接 如果图2 1 中的两台取样示波器模块完全相同，我们就可以利用反卷积技 术求出每一台取样示波器的冲激响应。设k 。( h ) 表示取样示波器a 输出的 k i c k o u t 脉冲，则 女( n ) = 聊 ( w ) ( 2 - 1 ) 其中h 。( ”) 为取样示波器a 的冲激响应，m 为比例系数。设y 。( h ) 表示 取样示波器b 的输出，则 y a b ( 月) = k ( ) h b ( n ) ( 2 - 2 ) 其中 。0 ) 为取样示波器b 的冲激响应。将( 2 1 ) 式代入( 2 2 ) 式得到 y b ( 胛) = m h ( ”) h b ( ) ( 2 - 3 ) 假设h a ( ”) = 力。( 珂) ，则由( 2 - 3 ) 式通过反卷积计算可以得到a 和b 两台示波 器的冲激响应， 州护蹦护j 半 ( 2 - 4 ) 耻姒栌胛弋j 半) 沼5 ) 进而可以求出取样示波器的阶跃响应( 对冲激响应作积分) 和频率响应7 】( 对 冲激响应作傅立时变换) 。 实际上，无法找到完全相同的两台取样示波器，因此我们使用三台示波器 两两对接，通过列方程组求解三台取样示波器的冲激响应。如图2 - 2 所示。 图2 - 2 三台示波器模块的n t n 对接 一图由一 以 。( ”) 、 。( 一) 、 。( n ) 分别表示a 、b 、c 三台取样示波器模块的冲激响 应，以m 、m 。、m 。分别表示a 、b 、c 三台取样示波器模块“k i c k o u t ”脉冲 与冲激响应之间的比例系数，以_ y 。( ”) 、y 。( ) 、_ y 。( h ) 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 【儿曰( 功= r n a 。h a r t ) * ( 功 虼c ( 功= ( 功宰( 功 ( 2 - 6 ) l y c a ( 功= m c ( 功术九 扫( 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冲激响 应。 日。( 尼) = h b ( 七) = h c ( = ( 七) k ( 后) 乙( 七)m a r n b f r 口a k ) 场( 忌)m a v( 七)m b ( 2 7 ) 在此基础上，就可分别取出每台取样示波器模块的阶跃响应、上升时间、 幅频特性和相频特性。 2 2n o s e - t o - n o s e 校准技术的适用范围 由上面的分析可知，“n t n ”校准技术的关键在于当取样示波器的直流偏 置电压不为零时，会在输入端产生“k i c k o u t ”脉冲。因此，如果取样示波器能 够产生“k i c k o u t ”脉冲，那么就可以应用“n t n ”校准技术对其进行校准。经 研究发现1 8 9 , 1o 】，只有当取样示波器的取样电路具有如图2 3 所示的平衡取样门 结构时，“k i c k o u t ”脉冲才会产生。 磊乎 西一 图2 3 具有平衡取样门结构的取样电路 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 g i l e n t 8 6 1 1 7 a 和 a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 等a g i l e n t 公司的宽带取样示波器】，因此，这些取样示波器模 块均可以产生“k i c k o u t ”脉冲，并可运用“n t n ”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 k t r o n 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 2 6 2 7 , 2 8 1 同样可以求出其系统特性。 由此可见，正确运用“n t n ”校准技术，可以实现对任意型号的取样示波 器进行校准。 2 3 小结 本章简要介绍了“n t n ”校准技术的基本原理，利用“n t n ”校准技术和 反卷积技术，可以求出任意带宽取样示波器的冲激响应、阶跃响应、上升时间 和频率特性。 如果取样示波器的取样电路具有平衡取样门结构，就可以利用“n t n ”校 准技术对其进行校准；即使取样示波器的取样电路非平衡取样门结构，也可以 用一经过“n t n ”校准的取样示波器作为脉冲源去激励它，并求出其系统特性。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章数据采集技术 上一章介绍了建立脉冲参数国家基准的理论基础“n t n ”校准技术的 基本原理，下面将要介绍建立脉冲参数国家基准的两个关键步骤：数据采集和 数据处理。其中本章重点介绍有关数据采集方面的内容，数据处理将在下一章 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。基于“n t n ”校准 技术的数据采集包括以下三方面内容：实验仪器的连接和设置、原始数据 ( “k i c k o u t ”脉冲) 的采集、连接设备特性的测量。下面对这三方面逐一加以 介绍。 3 1 实验设备介绍 根据“n t n ”校准技术的原理，需要对三台不同的取样示波器模块进行两两 对接，从而得到每台模块的系统特性。本课题使用的用于建立脉冲参数国家基 准的取样示波器和模块为：宽带取样示波器主机a g i l e n t 8 6 l o o a 和 a g i l e n t 8 6 i o o b ：取样示波器模块a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 和两台a g i l e n t 8 6 1 1 7 a 。此外 还需要用于触发同步的t d r 模块a g i l e n t 5 4 7 5 4 a 一台，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，以及用于连接两台取样示波器的电缆、适配器 等连接设备。下面将对取样示波器主机以及各模块进行简要介绍【3 5 3 6 3 w ，连接 设备及其对实验的影响在第3 4 和3 5 节中介绍，g p i b u s b 接口卡及使用方 法将在第五章介绍。 3 1 1 取样示波器主机a g ii e n t 8 6 i o o a b a g i l e n t 8 6 1 0 0 为a g i l e n t 公司最新生产的宽带数据通信分析仪，它具有三 种工作模式，即眼图模式、示波器模式和t d r 模式，也就是说，它能够独立完 成三种测试，即眼图测试，示波器测试和t d r 测试。a g i l e n t 8 6 1 0 0 分为两个版 本a 和b 它们的主要区别在其内置的c p u 上，a 为民用标准，而b 的速度更快， 符合美国军方标准。在其他方面a 和b 并无太大差别。本文所采用的主机为 台a g i l e n t 8 6 1 0 0 a 与一台a g i l e n t 8 6 1 0 0 b 。 图3 - 1a g i l e m 8 6 1 0 0 a b 的前面板 1 5 v1 0 0 m as o u r c ep a r a l l e l f ore x t e m a t c o m p o n e n t s ) p o e t k e y b o a r dd i s p l a y 图3 - 2a g i l c n t 8 6 1 0 0 a b 后端 a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 的前面板及后端如图3 - 1 和图3 2 所示。从图中可以看 出，a g il e n t 8 6 1 0 0 a b 主机可以同时附带两个插件，如图3 - 1 右下方所示。而 北京工业大学工学硕士学位论文 每个插件有一或两个通道，因此，a g i e n t 8 6 t 0 0 a b 最多可以对四个通道进行 测试。 a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 的优点主要有以下几个方面 图形化界面。 功能上三合一，三种功能分别为：眼图模式( 数字通信中测量o 一】电 平) 、t d r 模式( 必须有t d r 插件才能被激活) 、示波器模式。 模块化机构即插即用，可以支持热插拔。 在本文所介绍的“n t n ”校准实验中，a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 工作在示波器模 式和t d r 模式，作为“k i c k o u t ”脉冲源的取样示波器工作在示波器模式，而 作为“k i c k - o u t ”脉冲接收端的取样示波器则工作在t d r 模式。 3 1 2 取样示波器模块a g il e n t 8 6 1 1 7 a 和a g ii e n t 8 3 4 8 4 a 图3 - 3 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 6j 17 a 取样示波器模块8 3 4 8 4 a 、8 6 1 1 7 a 如图3 - 3 所示，这两个模块均为双通道 5 0 g 电信号示波器模块。其中8 6 11 7 a 为8 3 4 8 4 a 的换代产品。他们的区别在于 第3 苹数据采集技术 8 3 4 8 4 a 每个通道的带宽选择为5 0 g h z 和2 6 5 g h z ，而8 6 1 1 7 a 每个通道的带宽选 择为5 0 6 h z 和3 0 g h z ；另外，8 3 4 8 4 a 带有模块自身触发信号输入端，而8 6 11 7 a 则没有触发信号输入，需要依靠主机的触发信号工作。值得一提的是，模块自 身的触发信号输入与主机触发信号输入在“n t n ”校准过程中并无区别，可以根 据需要自由选择。 在“n t n ”校准实际过程中，使用这三台取样示波器模块，即一台8 3 4 8 4 a 以及两台8 6 1 1 7 a ，进行两两对接，对所得波形进行数据处理后可以分别得到这 三个模块取样头的冲激响应、阶跃响应、上升时间、幅频特性和相频特性。 3 1 3t d r 模块a g ii e n t 5 4 7 5 4 a t d r ( 时域反射计) 是应用于高速数字设 计领域的有效测试工具，它可以用来验证印 刷电路板、光缆以及各种连接头的信号的完 整性。时域反射的工作原理是测量在传输线 的一定距离上引起的反射信号，通过测量反 射点至观测点的往返路径的传输时间可以测 出观测点至反射点的传输距离。 本文所采用的t d r 模块为a g i l e n t 5 4 7 5 4 a 如图3 4 所示。它具有两个信号通 道以及一个触发信号输入端。a g i l e n t 5 4 7 5 4 a 和a g i l e n t 8 6 1 0 0 a b 可以组成强大的t d r 测 试工具，能够完成各种t d r 测试。 在“n t n ”校准实验中t d r 模块的作用并 不是进行时域反射测试，而是作为触发信号 豳3 4t d r 模块a 鲥i e n t 5 4 7 5 4 a 柬使用。取样示波器工作在t d r 模式的情况 下，会从t d r 模块的信号通道输出一个频率可调的t d r 脉冲信号，并在输出此 脉冲信号的同时在示波器内部产生一与此信号相同的内触发信号。在“n t n ”校 准的实际过程中，t d r 模块的输出信号被用作“k i c k - o u t ”脉冲产生端的触发 信号，而内触发信号被用作“k i c k o u t ”脉冲接收端的触发信号。这样，即可 北京工业大学工学硕士学位论文 实现两台取样示波器的同步，在两台取样示波器的延迟互相匹配的情况下，在 “k i c k o u t ”脉冲接收端可以观测到“k i c k o u t ”脉冲。 除了主机以及所需插件外，进行“n t n ”校准实验还需要使用适配器和电 缆连接两台取样示波器，适配器和电缆的特性将直接影响“n t n ”校准的精确程 度。这将在本章的第4 、5 节介绍。 3 2 实验步骤 上一节介绍了建立脉冲参数国家基准所需的实验设备，下面将结合具体的 “n t n ”校准实验介绍建立脉冲参数国家基准的实验步骤1 1 2 , 1 3 】。 3 2 1 设备的连接 本文应用两台a g i l e n t 8 6 1 0 0 取样示波器( a g i e n t 8 6 1 0 0 a ， a g i l e n t 8 6 1 0 0 b ) 、三个取样示波器模块( 两个a g l l e n t 8 6 1 1 7 a 和一个 a g i l e n t 8 3 4 8 4 a ) 和一个t d r 模块( a g i l e n t 5 4 7 5 4 a ) 进行“n t n ”对接实验。具 体的对接步骤如下： ( 1 ) a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 接a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 6 ) ( 2 ) a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 4 ) 接a g i l e n t 8 3 4 8 4 a ( 3 ) a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 6 ) 接a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 4 ) 实验设备连接框图如图3 5 所示。 图3 - 5 实验设备连接框图 图中取样示波器8 6 1 0 0 b 为“k j c k o u t ”脉冲产生端，工作在示波器模式 8 6 1 0 0 a 为“k i c k o u t ”脉冲接收端，工作在t d r 模式。两台取样示波器模块8 6 1 1 7 a 和8 3 4 8 4 a 通过一双阴适配器相互连接，t d r 模块5 4 7 5 4 a 的输出作为触发信号 接入取样示波器8 6 1 0 0 a 的触发输入端。 “n t n ”校准技术的实际硬件连接如图3 6 所示。 图3 - 6 “n t n ”校准技术硬件实际连接 在图中的实验平台为建立脉冲参数国家基准所需的“n t n ”校准实验台，图 中p c 机上显示的软件为用于“n t n ”校准实验的示波器自动控制软件的设置界 面，有关自动测试软件的内容将在第五章详细介绍。 为叙述方便，下面将模块a g i l e n t 8 3 4 8 4 a 、a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 6 ) 、 a g i l e n t 8 6 1 1 7 a ( 编号为2 4 ) 编号为a 、b 、c 。 3 2 2 仪器设置 在实验中a g i l e n t 8 6 1 0 0 a 作为“k i c k o u z ”脉冲源，a g i l e n t l o o b 作为 “k i 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，然后分别校准两台取样示波器。校准完成后，断开电源， 进行硬对接。再打开电源，按照表3 - 1 、3 - 2 所示分别设置两台取样示波器。 表3 - 1a g i l e n t 8 6 1 0 0 a 的设置 s c a l em y d i v 2 0 c h a n n e l3 o n 0 f f e lm v1 5 0 b a n d w i d t hg h z 5 0 h o r i z o n t a lt i m eu s d i v5 0 d e l a v n s2 8 m o d u l el e f t t r i g g e r b a n d w i d t hg h zd c 2 5 g s l o p e u p l e v e lm v 1 0 0 a v e r a g e o f f p o i n t s 1 6 m o d eo s c i1l o s c o p e 表3 _ 2a g il e n t 8 6 1 0 0 b 的设置 s c a l em v d i v 2 0 c h a n n e l 3 0 no 丘j e tm vo b a n d w i d t hg h z5 0 h o r i z o n t a lt i m e p s d i v 1 0 0 d e l a y n s7 0 a v e r a g e 0 n 6 4 p o i n t s 1 0 2 4 m o d e t d r t d rr a t ek h z1 ，9 9 设置完成后，就会在取样示波器a g i l e n t 8 6 1 0 0 b 上观察到o f f s e t 为+ 1 5 0 m v 时的“k i c k o u t ”响应脉冲。如图3 7 所示。 1 6 图3 7 “k i c k o u t ”脉冲的响应波形 3 3k i c k - o u t 晌应脉冲的采集 我们对a 、b 、c 三台取样示波器模块分别进行两两对接，为了在数据处 理中去除选通脉冲泄漏的影响，在每次对按时均取偏置电压为+ 1 5 0 m y 和 1 5 0 m y ：另一方面，由于去除时间抖动算法的需要，我们利用a g i l e n t 8 6 1 0 0 的平均功能对测量得到的“k i c k o u t ”脉冲的响应波形进行了6 4 次平均。最终 我们利用自动测试软件将这些数据采集到p c 机中以便进行进一步处理。 3 4 适配器系统特性的测量 在“n t n ”对接实验中，为了最大限度地减小连接设备对测试结果的影响， 要求对两台取样示波器模块的输入端进行直接对接，但由于本文采用的取样示 波器模块的输入端均为2 4 m m 的阳头，因此需要一2 4 m m 的双阴适配器才能实 现对接。由于适配器的存在，实际的n t n 对接得到的“k l c k o u t ”响应波形 y j 月( ) 、y 肌( ) 和y ( _ ( ) 为 北京工业人学工学硕士学位论文 l m 捌= 红 枣红r 木 嗣= 水缸厂枣忽 i 比舯= 瑶枣札， 木纸 ( 3 一1 ) 其中h 。，( ) 为适配器的冲激响应。为了得到三台取样示波器模块系统特性的精 确结果，我们应事先求缛矗。( 靠) ，并在数据处理时将其扣除。为此，本文进行 了如下实验。 取樽示被器 取样幂攘器 ( 8 b i o o b ) ( 弱3 0 0 k ) 幽3 8 带有一个双阴适配器的n t n 对接实验 在图3 - 8 中，我们用双阴适配器连接两台取样示波器的输入端，由此得 y a 。( 功= 丸( 功幸芬_ ，( 功斗( 功 ( 3 2 ) ：职撑示踱嚣 取样幂渡器 ( e e l o 呻) ( 8 6 1o o k ) 陶3 - 9 带有一个双阴透配器和一个阳转阴适配器的n t n 对接实验 在图3 - 9 中，我们用一双阴适配器及一个阳转阴适配器连接两台取样示波 器的输入端，由此得到的响应波形y a b ( ) 为 ，一口( 哟= 颤( 功幸( 功幸( 谚幸( 哟 ( 3 3 ) 这样对y 。( ”) 、y 。( ”) 分别进行d f t ，并利用反卷积技术即可求出阳转阴适 配器的系统特性。 k ，= = 一 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 出于2 4 m m 双阴适配器的系统特性与2 4 栅阳转阴适配器的系统特性几乎 相同，因此我们可以用此阳转阴适配器的系统特性近似双阴适配器的系统特性。 通过上述实验，计算出的适配器的3 d b 带宽和上升时间如表3 3 所示。 表3 - 3 适配器的3 d b 带宽和上升时间 带宽 编号上升时间( p s ) ( g h z ) l9 0 73 5 5 0 1 29 1 84 4 7 6 8 31 0 9 53 9 5 3 9 41 0 5 53 5 9 8 4 ， 06 9 25 4 7 3 0 66 9 23 7 0 7 8 77 2 85 3 4 8 2 86 9 14 7 2 1 0 91 1 8 54 6 8 5 8 1 01 1 7 33 2 8 1 3 均值 9 1 44 2 7 9 6 标准差 1 9 4 0 7 3 4 2 我们将十次测量的计算结果作平均，并将此结果作为适配器的系统特性。 计算出的适配器的幅频响应和阶跃响应分别如图3 1 0 和图3 1 1 所示。 0 3 5 1 0 r ! ，加州 l ” 。、 。、弘n 7 v f 、7 匕 02 04 0 口6 电 04 02 0 6 0 g h z 图3 一l o 适配器的幅频响应 l “m “矗山妇 h “山 _ 。l h r i 胛即，r r i d l ”。l ”i q 一9 0 k h “h 5 址i _ i - 1 0 r r 7 r 叩t i 呷 0 1 0 02 0 03 4 0 0 5 0 0 6 7 0 0 8 0 d9 rj s el i m e = 45 3 s 3 p s 图3 1 l 适配器的阶跃响应 3 5 电缆系统特性的测量 在“n t n ”校准实验中，为了尽量减小连接设备对“k i c k o u t ”响应脉冲 的影响，要求两台取样示波器的输入端直接对接。但为方便起见，在实际运用 第3 章数据采集技术 中经常依靠电缆实现两台取样示波器输入端的连接。由于电缆带宽的限制，电 缆的接入会对“k i c k o u t ”响应脉冲产生很大影响1 2 9 】，如公式( 3 - 6 ) 所示 带有连接电缆的“n t n ”对接得到的“k i c k o u t ”响应脉冲y 。口( ”) 、y 。( ) 和 y ，。) 为 f 儿b ( 功= 红( 功木红( 功术( 功 y b c ( n ) = h b ( n ) * h l ( n ) 木 ( 3 - 6 ) 【地( 功= ( 功水吃( 功木( 功 其中h ，( 月) 为电缆的冲激响应。因此，为了得到三台取样示波器模块系统特性的 精确结果，应事先求得电缆的系统特性，并在数据处理时将其扣除。 传统上测量电缆特性的方法有自动脉冲测试系统法和网络分析仪法。 采用自动脉冲测试系统测量电缆的实验设置如图3 - 1 2 所示。 幽3 一1 2 采用自动脉冲测试系统测量电缆的实验设置 图3 1 2 中a p m s 表示自动脉冲测试系统，它由取样示波器、接口和计算机及 其外设构成。该系统由取样示波器接收脉冲源经过电缆后的响应信号，并利用 反卷积技术求出电缆的冲激响应和系统函数。采用自动脉冲测试系统测量电缆 的缺点是要求脉冲源的上升时间快，并且频谱要十分丰富，应覆盖电缆的频带： 同时要求脉冲源的参数已知。而我国目前还无法找到带宽为5 0 g h z 的高速脉冲 源，这就使得此方法不能有效地用于对