将采样示波器用于微波测试

信号分析仪，微波接收机，LSNA和峰值功率计[27]。

图2 NIST的波形可追溯链。
NIST的波形校准服务非常适合微波应用。NIST提供了经过校准的光电二极管，并且收费对示波器插件和脉冲源进行校准。NIST对所有测量进行失配修正；并且提供示波器和信号源的反射系数。这便有可能使用在NIST经过校准的示波器对测量的失配进行彻底修正，使得这些服务的用户们对在NIST校准过的信号源开发出一个完整的戴维南等效电路。NIST同样还提供协方差矩阵来描述大多数测量中的不确定性（见“用协方差矩阵来表示不确定性”）。这样便能够既可在时域又可在频域来表示不确定性。

示波器的其它不完美性
在我们实验室里，经常对示波器的时基，脉冲响应，和输入阻抗的不完美性进行校正。要密切关注的不完美性并不局限于此。
非线性响应
示波器中采样电路的非线性是很难进行表征和校正的。对付这个问题的最直接了当的办法是限制进入示波器的信号幅值，这样它们便不会超过150mV，可用平均化处理来提高动态范围。在求平均值之前对时基抖动，漂移和时基失真进行校正，可以被大大地改善求平均值的能力，当然这通常要求在外部进行数据处理。当我们使用了时基校正软件后，我们在实验室至少可以达到大约60dB的动态范围。
选通脉冲泄漏
用来将采样二极管接通到正向导通状态以及关闭采样门电路的选通脉冲的一部分会被耦合到示波器的前置端。
幸运的是，选通脉冲的泄漏发生在进行采样的同时，这便使得泄漏信号没有足够的时间在进行采样之前对被测电路产生影响。不管怎么说，选通脉冲的泄漏是不希望产生的，通常是通过在平衡结构中使用两个或更多的采样二极管来将其减到最小。这便可以对采样电路中的选通脉冲泄漏进行一阶抵消。
进入到采样电路的低频泄漏
很难完全阻止高速示波器通过采样二极管产生的低频泄漏，即使当它们处于反偏（关闭）状态时。这便是在工业界被称为“漏气”的现象，并且会通过采样电路泄漏到达保持电容器上。漏气在自身表现为减慢在微秒级别所进行的示波器的测量稳定或振荡时间。漏气有时候是通过采样电路本身所具有的补偿电路来校正的。漏气可以通过首先将选通脉冲关闭而进行的测量来对漏气进行表征，然后在选通脉冲被激活后，将其从测量结果中减去。
时间和频率之间的转换
我们同样经常需要将由示波器所直接获取的时域波形与典型的微波频域的一些量相关联，例如，组成调制微波信号成分的幅值和相位[20]。在进行失配校正和进行诸如谐波失真等其它信号质量的评估时会有这种要求。

高速采样示波器采用一个等效时间采样策略来实现高达 100GHz 的有用带宽。

所使用的转换取决于信号类型。具有有限功率的重复信号的傅立叶变换可以从离散数字化傅立叶变换中直接推导出来。具有有限能量的单个脉冲的连续傅立叶变换的近似可以用类似的方法从离散数字化的傅立叶变换中构建。文献[1] 对这些变换进行了更为详细的讨论。我们还开发了一个简化这种计算的软件[21]。
将时域和频域表示法中测量的不确定性进行转换就不那么明显了。在两个不同域之间的不确定性的转换强烈地取决于在不同时刻和频率所进行的测量有什么样的联系。例如，一个域内的白噪声可以转换为另一个域上的白噪声。误差信号的能量在频域上是通过波纹来显示的，然而，在时域上会在单个点上出现隆起。在某些时域点上会引起大的误差。不确定性的相关性必须要获取以便于预测一个域的不确定性如何可以转换到另一个域中。
为了着手解决这个问题，我们开发了一种专门适用于微波界所感兴趣的严密的测量方法。这种方法是在采用协方差矩阵的基础上来表示不确定性，并且抓住它们之间的相关性[1]，[22]（见[1]及“用协方差矩阵来表示不确定性”）。

用协方差矩阵来表示不确定性

图 4 是通过对使用 NIST 的光电采样系统进行测量时得到的复杂的失配修正的频谱进行傅立叶变换后所得到的光电二极管的时域脉冲响应。这些数据首先发表在文献
[22] 中 。 光 电 采 样 系 统 的 共 面 波 导 负 载 （ CPW –Coplanar Waveguide ）所产生的主反射相当大，并且发生在大约 400ps 处，但在图 4 中却没有看到，这是因为已经在测量中对它们进行了校正。


图 4 在 NIST 光电采样系统所测得的光电二极管的时域脉冲响应。
该图还绘出了从协方差矩阵计算得到的脉冲响应[22]。当将频域数据映射到时域时，这个公式参考了频域数据的相关性。正如人们所期望的，这个不确定性的峰值出现在光电二极管脉冲响应的最大值处。在 400ps 处的不确定性的较小峰值不太明显。未经处理的光电二极管的脉冲响应测量结果在这个点处有一个大的反射，这个反射通过我们所采用的频域失配修正几乎完全被除去了。虽然失配修正可以很有效地将测量系统400ps 处的这种伪误差除去，但失配校正的不完善性还是会明显地提高那儿的不确定性。

常规示波器时基使用的是触发电路和一个可编程时延器来定时获取电压采样。

今天就开始使用！

在您的工作中使用高速采样示波器最好的理由之一是它可以在微波频率上快速，准确，低成本地获取和显示详细的时域波形。这通常会加速调试并且有助于开发对电路上所发生的现象的一种直觉。

通过加上时基，脉冲响应和失配校正，您便可以将高速采样示波器变为一台精密的微波仪器。基于差不多同样的理由，我们可以在几乎每个工程师的测试台上找到一台低频示波器，可能现在是将高速采样示波器放置在我们的