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探讨影响时间间隔精度的因素
力科公司
摘要: WaveMaster系列示波器的时间间隔测量精度采用下述公式表示:±((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,这是当前精度最高的示波器时基。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。
Abstract:
Key words :

WaveMaster系列示波器时间间隔测量精度采用下述公式表示:±((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,这是当前精度最高的示波器时基。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。

 

时间间隔精度的第一个部分(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的最大采样率,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。

 

内插精度取决于许多因素。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

 

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。

 

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精度提高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。注意,图上的水平标度是每格20 fs。

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”

 

使用采样数据不会把定时测量精度限制在采样周期中。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精度。

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

3 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精度

Counter Reading: 计数器读数

P@Level lower accuracy limit: P@Level精度下限

upper accuracy limit: 精度上限

Acquisition Number: 采集数量

Period (ns): 周期(ns)

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