将采样示波器用于微波测试

可编程的时延发生器来暂时地闭合开关。这样便对示波器的输入电压进行了采样。当开关闭合时，保持在电容上的通过闭合开关的净电荷与示波器的输入端口电压成正比。一个灵敏放大器和模拟-到数字转换器随后被用来测量这个充电电荷，从而得到当开关闭合时出现在示波器输入端的电压。

图 1 采样示波器的工作原理。

采样示波器的开关通常是用快速采样二极管来构建的，是由快速选通脉冲来“打开”和“关闭”的。这些选通脉冲暂时地将通常是反偏（断开）采样二极管变化到正偏导通（接通）状态。大多数现代采样示波器采用非线性传输线来使脉冲变尖，并且可以以大约2-20ps的采样速度来“打开”或“关闭”二极管开关。这些再加上准确的时基，便使得采样示波器可以在示波器的输入端合拍地非常准确地进行电压测量。

示波器的时基
通常要花费几毫秒或更多的时间来让采样示波器获取电压采样；这便将采样示波器限制在测量重复性信号的范围内。用以测量波形的典型测量手段被称作“等效时间采样”。在这种测量方法中，信号在不停地重复，示波器的时基被设置来在信号的每个周期结束稍后一点才关
闭开关。信号的每一次重复都可以进行一次新的采样，向已测得的波形中增加另一个电压采样。

示波器时基的类型
有三种基本的示波器时基类型，存在各种各样的变形：常规触发时基，同步时基，以及将前面两种类型的最好特性相结合的混合时基[4]。常规示波器时基采用了触发电路和可编程的时延发生器来控制电压采样的采集时间[5]，[6]。这些时基是特别灵活，易于使用的，虽然它们容易产生时基抖动和时基失真。

同步时基使用一个有些微偏差的被锁定到来自于信号源的一个参考信号的振荡器。许多微波工程师可能对在微波过渡分析仪和采样下变频器中所实施的这种时基比较熟悉。这种时基造价较高，并且不太灵活，这是因为它们只能对周期信号进行锁定和触发。另一方面，它们对时基抖动和漂移不太敏感，实际上消除了时基坐标的失真，并且比常规时基的采样更快。

混合时基[4]，[7]使用具有可编程时延发生器的常规触发器来进行采样，但同时测量一套与要采集的信号相同步的参考正弦信号来修正示波器的时基。这可以在许多不太昂贵的常规触发器示波器中同时修正时基抖动，漂移，和时基失真（见“NIST时基修正软件”）。

NIST 的时基校正软件

时基的不完美性，比如时基抖动和时基失真，会在微波频率上引起明显的测量误差。NIST的时基校正软件[31]通过测量同时生成的两个正交的并且与被表征的波形同步的正弦信号来校正随机误差和系统误差。[4] 中对这种方法进行了详细的介绍，[7] 中介绍了一种类似的实施方法。图 5 是用采样示波器对一个调制微波信号进行表征的典型的测量配置。在标准配置中，示波器是由来自信号源的 10MHz 参考信号来触发的，调制信号是在通道 3 进行测量的，见图 5。为了改善时基，我们还用示波器在通道 1 和通道 2 对两个参考正弦信号进行了测量。虽然在示波器的时基上有很大的失真和抖动，但这两个正交的参考正弦信号能够高精度地重建采样的实际时刻。这是因为采样是同时完成的，并且与示波器的通道 3 所测得的调制信号相同步。

图 5 采用 NIST 时基校正软件来表征一个调制信号的典型的测量配置[31] 。

图 6 是时基校正概念的一个简单示意图；它绘出了一个参考正弦信号的未经校正的测量值（圆圈），加上一个估计的失真正弦信号（实线曲线）。预测的正弦信号是通过将采样与正弦信号之间的平均距离减到最小来找出的。为了便于说明，如果我们假设，没有附加的噪声，我们便可以在每个测量值（圆圈）和失真正弦信号之间画一条水平线来估测由于时基失真和抖动所引起的
总误差。每条线的长度代表了进行测量的标称时间（示波器）和与之相吻合的失真正弦信号的差。每条线与失真正弦信号的交点便是每个采样的校正了的时间。


图 6 圆圈代表的是采样信号，实线代表的是估测信号。水平线段是从曲线估测的时间与示波器标称时基之差（来源于[4]）。

图7是与两个用于计算时间坐标误差的参考正弦信号（未显示在图上）同时进行测量所得到的实际正弦信号的测量结果。在校正之前所估计的时基抖动大约是3.3ps，时基失真的效应在4ns处可以很明显地看出。在校正了时间坐标的误差后，这个例子中的残余误差只有大约0.2ps。


图 7 在通道 3 所测得的时基误差校正前（底部的信号）和校正后（顶端的信号）的五个正弦信号的一部分。为了清楚起见，加上了与校正信号之间的偏移。（来源于[4]。）

时基抖动，漂移和时基失真
示波器时基的不完美性包括时基抖动（当示波器对电压采样时所产生的误差的随机部分），漂移（在连续两次的测量之间所扫过的时基上的一个缓慢的漂移），时基失真（示波器时基的一个系统和可重复的失真）。时基抖动和漂移量的大小主要取决于所采用的触发模式，并且通常是与硬件紧密相关的。时基失真一般取决于示波器的内部时钟，并不取决于所采用的触发模式。Vandersteen等 [8]， Rolain 等[9]，Stennbakken 等[10]，以及Wang等[11]首先开创了先进的方法来测量和修正时基失真。这些是基于用示波器测量正弦波来表征示波器的时基失真，以及使用被测信号对于参考正弦信号的偏差来推断示波器的时基失真。[4] 中所描述的混合法是这些表征时基失真方法的产物。这种方法在实时地测量正弦波信号的同时还在常规的触发式示波器中修正时基抖动，漂移和时基失真。

失配修正

因为微波工程师们知道大家都很清楚，在微波频段上很难控制阻抗，为了达到好的精度，在进行失配修正时必须要将微波源和负载之间的多次反射考虑进来。我们已经发现矢量网络分析仪对修正示波器测量的失配性是非常有用的。我们用最好的方式通过使用网络分析仪来表征我们的微波源，适配器和示波器，并且一有可能便进行失配修正。在[1] 中对这种失配修正进行了详细的描述。

虽然，实时示波器是极其多才多艺的，但它们同样具有一些会限制其在微波应用中使用的特性。

失配一般来说会在某些时刻引起反射。要有效地进行适配修正则要求示波器的时基具有很好的精度来准确地测量这些时间的位置。因此，示波器的时基误差通常需要在失配修正之前就要进行校正。

用网络分析仪所进行的示波器测量的失配修正同样要求具有线性时不变特性。关键问题是矢量网络分析仪要在示波器的采样门电路打开时测量其阻抗。因此示波器必须要设置成能够足够快地关闭和打开它的采样门电路，从而使得关闭门电路时的反射不会再次反射到示波器以外的元件上，并且在它再次打开前进行测量。这个问题通常可以通过设计较短长度的传输线来实现示波器前置端而得到解决。在[1]中对这个约束条件进行了更详细的讨论。

在您的工作中使用高速采样示波器的最好的理由之一是其能够快速，准确，并且成本不高地获取并显示详细的微波频段的时域波形的能力。

大信号网络分析仪（LSNA）[12]，[13]可以被看作是一种将示波器和网络分析仪这两者的功能相结合的示波器和网络分析仪的混合物。与网络分析仪相同，大信号网络分析仪使用耦合器和多个采样电路来在每个端口对正向和反向波同时进行测量，并且在此进行失配校正。采样器本身被设置为对大信号波形进行时域测量，这些端口的波形可能是失真的。实际上，早期版本的LSNA便是由微波耦合器和采样示波器来构建的。

脉冲响应的表征
即使是最快速的高速采样示波器的脉冲响应也是具有有限的持续时间的。示波器测量输入信号与这个脉冲响应的卷积。必须对示波器的脉冲响应进行表征，并且对其进行反卷积以便实施最准确的测量[1]，[14]。这个问题便显示出高速示波器校准的最基本和最有挑战性的一面。

伦 敦 的 国 家 物 理 实 验 室 （ NPL ） ， 德 国 的Physikalisch - Technische Bundesanstalt（PTB）以及美国的国家标准和技术研究院（NIST）保存有基于光电采样来 对 快 速 电 脉 冲 源 进 行 表 征 的 复 杂 的 测 量 系 统 （ 见“NIST光电采样系统”）。虽然这些系统的构建和应用的细节不同，但关键的设想都是利用具有极高速的光电交互作用来对快速参考脉冲进行表征。这些参考脉冲可以 用 来 表 示 哪 怕 是 最 快 速 的 示 波 器 的 脉 冲 响 应 （ 见“NIST的波形校准服务”）。
有时候这些光电采样系统通过基于对已知的正弦波信号的测量所达到的 “扫频正弦”幅值校准来增强其功能。这种仅对幅值进行校准的方法是起源于极其准确的热量计功率测量上的[15]-[19]。

NIST 光电采样系统
图 3 是 NIST 的光电采样系统的示意图[28]-[30]。锁定模式的光纤激光器发射出一串短的宽度约为 100fs 的的光脉冲，这些脉冲由光束分离设备分离为一个光“激发束”和一个光“采样束”。光激发束激励光电二极管，它会产生一个由系统测量的快速电脉冲。这个电脉冲由用于圆晶片上的在片探头耦合到在光电基片上制成的共面波导上（CPW）。


图 3 NIST 光电采样系统的示意图。
采样光束被用来重建由光电二极管在 CPW 的在片参考平面所产生的重复性电波形。这是通过将采样光束来通过可变的光时延，使之产生极化，然后让它通过CPW 的间隙来实现的。因为基片是光电性质的，CPW导体之间的电场改变了通过它的采样光束的极化。极化分析仪探测到了这个变化，这个变化与在光脉冲到达这里的瞬间所产生的电压成正比。这个过程并不会干扰在CPW 处的电信号。改变采样光束的时延可以使得我们将CPW 参考平面的电压作为时间的函数来进行标记。

进行校准的最后一步是用矢量网络分析来表征光电二极管和电阻的反射系数，以及探针头部的散射参数。这些反射系数和散射参数可以用来计算光电二极管的同轴连接器处的电波形。虽然网络分析仪的精度很高，但这些反射系数和散射系数是我们在这些测量中所能确定的最大不确定性的来源。

NIST的波形校准服务
用基本原理来准确地表示高速电波形是一个重大的挑战。NIST已经开发了一个复杂的光-电系统来进行这些基本的电气测量（见“NIST光-电采样系统”）。从本质上说，这个光-电采样系统是一个基于光-电相互作用的极快速的采样示波器。在NIST，NPL和PTB中的光-电采样系统所具有的带宽有几百GHz。 （在较低的频率上，有时候使用“鼻-对-鼻”（nose-to-nose）方式来对采样示波器进行校准[16]，[23]。然而，关于采样器的踢出脉冲和脉冲响应的假设在较高的频率下则不再成立[24]。）
图2是目前在NIST使用的可追溯链的示意图。NIST的光-电采样系统的光电二极管校准被用来校准示波器的幅值和相位响应[14]。原则上，经过校准的功率计可以用来改善示波器的幅值响应特性，但NIST使用它们仅仅是为了设置示波器校准的总体幅值的定标。经过校准的示波器被用来表征脉冲源，阶跃源，梳状波发生器[18]，[25]，微波混频器[26]，以及调制的微波源[2]，[20]，[27]。随后可用这些来对不同的仪器进行校准，包括其它示波器的矢量