一种取样示波器复频响应校准装置和方法与流程

1.本发明仪器测量技术领域，尤其涉及一种取样示波器复频响应校准装置和方法。


背景技术：

2.随着信息技术的高速发展，出现了很多超快、超高速、超宽带的器件和仪器设备，取样示波器因其具有较强的灵活性、较低的成本和不断增长的带宽，在微波领域中应用日益广泛。目前采用光电结合方法能对超快、超高速、超宽带器件和仪器设备的复频响应进行校准，该方法基于光电结合的方式产生高速脉冲信号，之后利用被校取样示波器测量该高速脉冲信号，通过测得信号与已知高速脉冲信号的反卷积获得取样示波器的复频响应，其缺点是在校准过程中为了获得取样示波器校准端面的反射系数，需要多次重复连接测量仪器，从而增加了校准过程中时基漂移和抖动的影响，增加了测量不确定度。


技术实现要素：

3.本发明提供一种取样示波器复频响应校准装置和方法，解决现有装置和方法校准精度差、不确定度高的问题。
4.为解决上述问题，本发明是这样实现的：
5.本发明实施例提供一种取样示波器复频响应校准装置，其特征在于，包含：波形发生模块、参考信号产生模块、校准信号产生模块、非线性矢量网络分析仪、误差修正模块、时钟模块；所述波形发生模块，用于产生激励信号；所述参考信号产生模块，用于接收所述激励信号，产生参考信号；所述校准信号产生模块，用于接收所述激励信号，产生校准信号；所述误差修正模块，用于产生两路同相正交信号给所述被校取样示波器进行时基抖动和失真误差修正；所述非线性矢量网络分析仪，用于先接收所述参考信号进行自校准，再切换通道接收和传递所述校准信号给被校取样示波器，还用于根据其频率响应计算被校取样示波器的第一频率响应；所述时钟模块，用于给所述波形发生模块、非线性矢量网络分析仪、误差修正模块和被校取样示波器提供同步时钟信号。
6.进一步地，所述装置还包含适配器，所述适配器用于连接所述非线性矢量网络分析仪和被校取样示波器。
7.进一步地，所述参考信号产生模块和校准信号产生模块均采用梳状谱发生器。
8.优选地，所述误差修正模块为正交移相功分器。
9.优选地，所述波形发生模块为任意波形发生器。
10.优选地，所述时钟模块为信号源。
11.优选地，所述时钟模块，用于产生第一时钟信号给所述波形发生模块和误差修正模块；所述波形发生模块，用于接收所述第一时钟信号，产生相参的第二时钟信号给所述非线性矢量网络分析仪和被校取样示波器。
12.本发明实施例还提供一种取样示波器复频响应校准方法，使用上述任一项所述取样示波器复频响应校准装置，包含以下步骤：对非线性矢量网络分析仪进行自校准，得到其
频率响应；对被校取样示波器计算时基抖动和失真误差修正后的修正频率响应；用所述修正频率响应除以非线性矢量网络分析仪的频率响应得到被校取样示波器第一频率响应。
13.进一步地，所述方法还包含；计算被校取样示波器第二频率响应：
14.本发明有益效果包括：本发明提供一种用于取样示波器复频响应校准的方法和装置，利用非线性矢量网络分析仪对取样示波器的复频响应进行校准，该方法不需要多次重复连接测量仪器，可以有效减小校准过程中与电缆和连接器重复性相关的时基漂移和抖动的影响，降低测量不确定度。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
16.图1为一种取样示波器复频响应校准装置实施例；
17.图2为一种包含梳状谱发生器的取样示波器复频响应校准装置实施例；
18.图3为非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器连接方式实施例；
19.图4为一种取样示波器复频响应校准方法流程实施例。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.随着信息技术的高速发展，出现了很多超快、超高速、超宽带的器件和仪器设备，取样示波器因其具有较强的灵活性、较低的成本和不断增长的带宽，在微波领域中应用日益广泛。但是，此类器件和仪器设备的很多关键指标的计量校准存在一定难度，最终用户使用此类器件和设备时，就无法得到准确和统一的量值，从而严重影响使用此类器件和设备组成的系统的可靠性与稳定性，最终可能带来重大损失。
22.目前，光电结合方法能对超快、超高速、超宽带器件和仪器设备的复频响应进行校准，其最直接应用是校准取样示波器的复频响应，该方法首先基于光电结合的方式产生高速脉冲信号，之后利用被校取样示波器测量该高速脉冲信号，通过测得信号与已知高速脉冲信号的反卷积获得取样示波器的复频响应。但该方法在校准过程中为了获得取样示波器校准端面的反射系数，需要多次重复连接测量仪器，从而增加了校准过程中时基漂移和抖动的影响，增加了测量不确定度。本发明为解决该问题，提出一种用于取样示波器复频响应校准的方法和装置。
23.本发明创新点如下：第一、区别于通过传统光电结合方法测量被校取样示波器复频率响应，本发明测量装置利用非线性矢量网络分析仪对被校取样示波器的复频响应进行校准，带来无需重复连接测量仪器的优点，减少测量随机误差；第二、本发明对被校取样示波器通过误差修正模块，进行时基抖动和失真误差修正，使得测量精度提高。
24.以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
25.图1为一种取样示波器复频响应校准装置实施例，可用于实现对被校取样示波器7
复频响应的快速、精准校准，作为本发明实施例，一种取样示波器复频响应校准装置，包含：波形发生模块1、参考信号产生模块2、校准信号产生模块3、非线性矢量网络分析仪4、误差修正模块5、时钟模块6。
26.所述波形发生模块，用于产生激励信号；所述参考信号产生模块，用于接收所述激励信号，产生参考信号；所述校准信号产生模块，用于接收所述激励信号，产生校准信号；所述非线性矢量网络分析仪，用于先接收所述参考信号进行自校准，再切换通道接收和传递所述校准信号给被校取样示波器，还用于根据其频率响应计算被校取样示波器的第一频率响应；所述误差修正模块，用于产生两路同相正交信号给所述被校取样示波器进行时基抖动和失真误差修正；所述时钟模块，用于给所述波形发生模块、非线性矢量网络分析仪、误差修正模块和被校取样示波器提供同步时钟信号。
27.在本发明实施例中，所述激励信号可用于驱动参考信号产生模块和校准信号产生模块开始工作，激励信号通过功分器一分二，一路输入给所述参考信号产生模块，另一路输入给所述校准信号产生模块。
28.本发明装置工作时，先通过参考信号对非线性矢量网络分析仪进行自校准，自校准是利用非线性矢量网络分析仪内部的连续波源在默认设置下进行的，对非线性矢量网络分析仪分别进行solt(短路
‑
开路
‑
负载
‑
直通校准，s代表短路(short)，o代表开路(open)，l代表负载(load)，t代表直通(thru))、绝对幅度和绝对相位校准，完成自校准后，对非线性矢量网络分析仪切换工作通道，接入校准信号，并将该信号传递给所述被校取样示波器。
29.在本发明实施例中，所述非线性矢量网络分析仪用于根据其频率响应计算被校取样示波器的第一频率响应的具体过程为：用所述修正频率响应除以非线性矢量网络分析仪的频率响应得到被校取样示波器第一频率响应。
30.需要说明的是，所述误差修正模块输出的两路同相正交信号幅度也相同。
31.还需说明的是，所述时钟模块给所述被校取样示波器的同步时钟信号，接入被校取样示波器的触发端口。
32.在本发明实施例中，优选地，所述参考信号产生模块和校准信号产生模块均采用梳状谱发生器，所述误差修正模块为正交移相功分器，所述波形发生模块为任意波形发生器，所述时钟模块为信号源。需说明的是，上述各模块还可以是其他具备相应功能的设备，这里不做特别限定。
33.在本发明实施例中，一般地，所述被校取样示波器和非线性矢量网络分析仪通过适配器连接，适配器可进行端口转换，但本发明实施例不排除所述被校取样示波器和非线性矢量网络分析仪直接连接的情况。
34.在本发明实施例中，若非线性矢量网络分析仪通过适配器和被校取样示波器连接，则需修正适配器对被校取样示波器复频响应的影响，具体为：
[0035][0036]
其中，h(ω)是所述被校取样示波器第二频率响应，h'(ω)是所述被校取样示波器第一频率响应，s
11
(ω)、s
12
(ω)、s
21
(ω)、s
22
(ω)分别是适配器的第一～第四散射参数，a1(ω)和b1(ω)分别是被校取样示波器的第一和第二测量参数，通过校准后的非线性矢量网
络分析仪测量得到。
[0037]
本发明实施例提供一种取样示波器复频响应校准装置，利用非线性矢量网络分析仪对取样示波器的复频响应进行校准，可以有效减小校准过程中与电缆和连接器重复性相关的时基漂移和抖动的影响，降低测量不确定度，提高测量精度。
[0038]
图2为一种包含梳状谱发生器的取样示波器复频响应校准装置实施例，作为本发明实施例，一种取样示波器复频响应校准装置，包含：任意波形发生器11、第一梳状谱发生器12、第二梳状谱发生器13、非线性矢量网络分析仪4、适配器8、正交移相功分器16、信号源15，本发明装置用于给被校取样示波器7进行复频响应测量。
[0039]
所述任意波形发生器用于产生激励信号，作为驱动信号经功分器后分别输入给所述第一梳状谱发生器和第二梳状谱发生器中；所述第一梳状谱发生器用于为非线性矢量网络分析仪提供参考信号；所述第二梳状谱发生器，用于接收所述激励信号，产生校准信号；所述非线性矢量网络分析仪，用于先接收所述参考信号进行自校准，再切换通道接收和传递所述校准信号给被校取样示波器；所述正交移相功分器，用于产生两路同相正交信号给所述被校取样示波器进行时基抖动和失真误差修正；所述信号源，用于产生第一时钟信号给所述任意波形发生器和正交移相功分器；所述任意波形发生器，用于接收所述第一时钟信号，产生相参的第二时钟信号给所述非线性矢量网络分析仪和被校取样示波器；所述适配器用于连接所述非线性矢量网络分析仪和被校取样示波器。
[0040]
工作时，首先，利用非线性矢量网络分析仪内部的连续波源在默认设置下对非线性矢量网络分析仪进行校准，之后将被校取样示波器连接到非线性矢量网络分析仪的测试端口，任意波形发生器的信号输出端输出的激励信号作为驱动信号经功分器后分别输入两台梳状谱发生器中，其中一台梳状谱发生器为非线性矢量网络分析仪提供参考信号，另一台梳状谱发生器作为标准脉冲源替换矢量网络分析仪内部的连续波源对取样示波器进行校准。
[0041]
任意波形发生器的时钟信号输出端输出的信号经过功分器后，一路作为时钟信号输入非线性矢量网络分析仪的时钟信号输入端，另一路作为触发信号输入被校取样示波器的触发信号输入端。
[0042]
一个由外部信号源产生的正弦信号作为主参考信号，其他所有信号都被锁定在该信号上，主参考信号经功分器后分别输入任意波形发生器的时钟信号输入端和正交移相功分器中，正交移相功分器输出的同相正交信号输入被校取样示波器的信号测试端口，用于修正取样示波器测量信号过程中的时基抖动和失真误差。利用修正后的取样示波器测得数据和非线性矢量网络分析仪的端口参数可计算得到取样示波器的复频响应，实现取样示波器的校准。
[0043]
本发明实施例提供了一种具体的取样示波器复频响应校准装置，各仪器设备为仪器测量时的常规设备，具有方便、便于工程实现、可操作性强的优点。
[0044]
图3为非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器连接方式实施例，为非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器一种连接方式。
[0045]
在本发明实施例中，非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器通过适配器连接，适配器第一输入端口与非线性矢量网络分析仪输出端口连接，用于接收非线性矢量网络分析仪的输出信号a1，适配器第一输出端口与被校取样示波器输入端口连接，用于向被校取
样示波器输出信号a2，适配器第二输入端口用于接收被校取样示波器输出的信号b2，适配器第二输出端口用于向非线性矢量网络分析仪输出信号b1。
[0046]
在本发明实施例中，被校取样示波器与适配器级联的冲激响应为h'(t)，傅里叶变换后的复频率响应为h'(ω)，最终要得到去除嵌入适配器的被校取样示波器的复频响应。
[0047]
在本发明实施例中，s
11
(ω)、s
12
(ω)、s
21
(ω)、s
22
(ω)为适配器的第一～第四散射参数，为适配器的s参数，可利用矢量网络分析仪对适配器进行校准获得。
[0048]
图4为一种取样示波器复频响应校准方法流程实施例，使用本发明任一实施例所述装置，作为本发明实施例，一种取样示波器复频响应校准方法，具体包含以下步骤101～104：
[0049]
步骤101、对非线性矢量网络分析仪进行自校准，得到其频率响应。
[0050]
在步骤101中，外接参考信号后，利用非线性矢量网络分析仪内部的连续波源在默认设置下对非线性矢量网络分析仪分别进行solt、绝对幅度和绝对相位校准。
[0051]
步骤102、对被校取样示波器计算时基抖动和失真误差修正后的修正频率响应。
[0052]
在步骤102中，通过被校取样示波器校准前的自身冲激响应和误差修正模块的自身冲激响应，采用自相关等方法，计算得到修正频率响应。
[0053]
步骤103、用所述修正频率响应除以非线性矢量网络分析仪的频率响应得到被校取样示波器第一频率响应。
[0054]
在步骤103中，所述被校取样示波器第一频率响应为：
[0055][0056]
其中，h'(ω)为所述被校取样示波器第一频率响应，h
s
(ω)为所述修正频率响应，h
cg
(ω)为所述非线性矢量网络分析仪的频率响应，为校准后的非线性矢量网络分析仪的频率响应。
[0057]
在步骤103中，被校取样示波器与适配器级联的冲激响应为h'(t)，傅立叶变换后得其复频响应h'(ω)；修正取样示波器测得信号的时基抖动和失真误差后得冲激响应h
s
(t)，傅立叶变换后得其复频响应h
s
(ω)；校准后的非线性矢量网络分析仪的输出信号为h
cg
(t)，傅立叶变换后得其复频响应h
cg
(ω)。
[0058]
在步骤103中，若所述非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器直接连接，则所述被校取样示波器第一频率响应为校准得到的该被校取样示波器复频响应。
[0059]
进一步地，若所述非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器通过适配器或其他连接方式连接，则所述方法还包含：
[0060]
步骤104、若非线性矢量网络分析仪与被校取样示波器通过适配器连接，则计算被校取样示波器第二频率响应：
[0061][0062]
其中，h(ω)是所述被校取样示波器第二频率响应，h'(ω)是所述被校取样示波器第一频率响应，s
11
(ω)、s
12
(ω)、s
21
(ω)、s
22
(ω)分别是第一～第四散射参数，a1(ω)和b1(ω)分别是被校取样示波器的第一和第二测量参数，通过校准后的非线性矢量网络分析仪
测量得到。
[0063]
在步骤104中，需要去嵌入适配器的复频响应，得到被校取样示波器复频响应，即所述第二频率响应。
[0064]
在步骤104中，其中γ
s
(ω)为被校取样示波器的反射系数，由于t1(ω)和t2(ω)可以由非线性矢量网络分析仪的校准测量获得，可避免单独测量γ
s
(ω)。因为单独测量γ
s
(ω)需要重复连接被校取样示波器，会增加时基漂移和抖动的影响，导致测量不确定度变大。
[0065]
本发明实施例提供一种取样示波器复频响应校准方法，避免重复连接被校取样示波器，减少了随机误差对测量的影响，提高了测量精度。
[0066]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0067]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。