实验室难题之—— 6GHz以上示波器的校准

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示波器是非常常用的电子测量仪器，是全球市场最大的电子测量仪器，全球市场高达12亿美元。
示波器每使用1年或使用2000个小时都应该计量一次，确保示波器的指标满足规范要求，确保示波器能作为一个标准去测量和检验被测电子设备。

计量示波器最常用的工具是9500B示波器计量仪,但是因为9500B的最高频率只有6.4GHz，所以只能计量6GHz及以下的示波器。但是现在示波器带宽已经突破30GHz，最新的90000-Q系列示波器达到63GHz带宽，13GHz带宽和20GHz带宽的示波器已经广泛使用，我们需要新的计量仪器和计量方法对6GHz以上带宽的示波器进行计量。
0 s6 ~0 e( c! H; l+ W- C9 n( I
6GHz以上带宽的示波器主要计量如下指标：
/ e" Y+ p9 D2 P* k# h3 X  I模拟带宽（Analog Bandwidth-Maximum Frequency)
  @* ?5 x# L5 y$ ]上升时间计量（Rise Time）
+ a' ~, o- k7 C: \5 i0 _偏置精度（Offset Accuracy）
) \6 Q3 C! }( y' U7 [- c1 S4 P& E2 p( T直流增益精度（DC Gain Accuracy）
时标/时基精度（Time Scale Accuracy)
1. 模拟带宽的计量
! v) A3 i6 Y; }' O) o( [  计量示波器模拟带宽的仪器和附件如下列表：
微波信号源：E8257D
; A- x! w# K" s0 U功率计和功率探头：N1913A+E4413B
功分器：11667B或11667C
同轴电缆：8120-4948（SMA-SMA)或N5180-60204（2.4mm-2.4mm)+11901A/11901C（2.4mm-3.5mm)
8 N: ?! c4 p7 _   计量连接图如下所示：
" }. E0 @. ^) a8 k' C; G* Z
4 c/ x% Q- O+ a
9 g# ~# H- ^: c, ?功率计的作用是测量真正功率（作为标准值），与示波器自身测量的功率进行比较，以确定示波器标称带宽是否满足-3dB带宽要求。
测试时，需要对不同垂直灵敏度进行分别测试，从5mv/div测试到1v/div。每个通道也要单端测试。示波器的功率读值用Vrms进行自动参数测量。测试时需要先测试一个参考增益（用50MHz正弦波进行测试），再测试一个在带宽频率出的增益，每个增益都用-3dB进行判断。测试的结果记录到下面的表格里。
" \4 ?, f6 ?* _( o) L6 F1 `" AVin是用功率计测试的结果。功率计的功率测试值要换算成Vrms值，换算公式：
            
Vout是用示波器Vrms自动测量测试的结果。
5 L, W* f, L( P$ q
& d; {  j3 ?4 b- y5 P3 B5 a
+ s  c- Q. R4 q+ v5 E5 D2.上升时间的计量
计量示波器上升时间的仪器和附件如下列表：
7ps快沿发生器：N2806A
衰减器：8493C/8490D
计量时直接把N2806A计量脉冲发生器连接到示波器，用示波器测量上升时间，确定是否满足规范要求。对于不同的垂直灵敏度，可以用衰减器衰减后在计量。
4 `# y/ u( t& T
7 a! t& P, w% z" i. u& O5 ?
/ f9 M1 y. }; A  I8 G3. 偏置精度的计量
计量示波器偏置精度的仪器和附件如下列表：
数字万用表：3458A或34410A
BNC同轴电缆：8120-1840（2根）
适配头：1250-0781（BNC Tee(m)(f)(f)),1251-2277(BNC(f) to dual banana)
  c: f% r# G1 t) _% i计量连接图如下所示：


图中，示波器的AUX OUT输出连接到BNC三通上，三通的一端连接到示波器通道1上，三通的另一端连接到数字万用表上。
在示波器内，设置AUX OUT输出直流电压，用示波器和万用表分别进行测量，然后计算偏置精度。
' k9 W0 Z, R% I示波器测试时要平均256次，然后用Vavg测试平均电压。
测试之前，还要单独测试一下0电压电平错误。
8 G; {7 o# e: z; m测试时，先分别设置AUX OUT为+400mv，-400mv，0mv,分别用示波器和万用表测试结果。用下面公式计算结果，取2个公式计算结果的较大者作为测试结果。
) j4 ~  G0 B7 C% s2 j9 l
) j8 o3 E$ P% M) G! _3 @然后再设置为其他值分别进行测量，测量结果记录和计算如下表所示。

+ o$ I% a7 a5 T" V# S, K

# |7 j5 P+ L, D, F4. 直流增益精度的计量
* r# u% @1 d0 k8 X, Z计量示波器直流增益精度的仪器和附件如下列表：
: h$ W9 L# b1 p; {8 d, w; K数字万用表：3458A或34410A
7 |6 V* Q5 x7 n8 v% q3 rBNC同轴电缆：8120-1840（2根）
$ d9 Y" h0 y0 e4 L: d适配头：1250-0781（BNC Tee(m)(f)(f)),1251-2277(BNC(f) to dual banana)
1 K# b. k* n! d8 E' r计量连接图与偏执精度的连接图一致。
测试时示波器测试参数和AUX OUT设置也是类似，也不列出了。
, B/ }" x  U( }计算公式列出如下。


8 `9 ?  A8 O; ^' G, ^# s6 P% N测量结果记录和计算如下：


5. 时标/时基精度的计量
  T+ G. _* M  ^5 r' \计量示波器时标/时基精度的仪器和附件如下列表：
! a( n3 {) e7 L! y$ Z2 k$ T微波信号源：E8267D
9 R: g* Y  O8 c5 |频率计：53200
同轴电缆：8120-1840
适配器：54855-67604,83059B
" s4 H) R0 P+ ^' k3 b3 I计量连接图如下所示：


配置微波发生器输出OdBm正弦波，频率：10.00002000MHz。
/ n: H# D3 R9 W9 B设置示波器：100mV/div灵敏度，100KSa/s采样率，20ms/div时基，0V测量门限，20mv迟滞。
6 K4 R5 ~, j0 k0 L) f0 ?1 b/ l在示波器的通道1进行：Frequency测量。
9 P( J7 K, l5 b累积捕获10次。
7 |4 B" W4 i  N; K7 F装换平均频率值到时基误差：减去20Hz，除以10Hz/ppm。
6 }/ X8 A. g* `计算测试限制：Test Limits=+-(0.100+0.100xYears Since Calibration)（对于90000-X示波器）
测量结果记录和计算如下：
* G. Y8 `, n3 a6 {2 w" K7 |6 ~
, j; o* H& R2 K6 l6 l; J
: g2 @( S' ~+ J1 K/ d" ~; D

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