1 示波器通道时延偏差校准与时基误差估计 李孝辉 王丹妮 张慧君 边玉敬 中国科学院国家授时中心 陕西省西安市临潼区书院东路3号 710600
摘要：在进行高精度时差或相位测量时，由于测量设备各通道时延的不一致性会影响测量结果，本文分析了示波器通道时延偏差的测量方法。同时，也分析了示波器的时基误差对测量结果的影响。 关键词：通道 时延 测量
1 引言 现在，很多场合需要高精度的时差测量，在进行ns级和更高精度的时差测量时，设备通道时延已经成了必须要考虑的因素，我们测量结果表明，SR620计数器两个通道的时延差约为0.1ns~0.5ns，在测量时必须要考虑。 另外，测量设备时基也是影响测量精度的另一个重要因素，如果测量设备的时基不准，会影响测量结果，在工程应用中，需要分析时基对测量结果的影响。 本文研究了我们使用多通道示波器（54855AgilentA）的通道偏差和时基误差估计方法。
2 示波器通道时延偏差校准 示波器的不同通道，时延值并不相同，两个通道间时延差称为通道时延偏差。本节分析通道时延偏差的校准方法，并比较两种校准方法。 2．1 校准方法 共有两种校准方法，一种是双通道交换法，另一种是三通道法。 双通道交换法的原理如图1所示。实验分两次，首先，将SA信号送入示波器1通道，将SB信号送入示波器2通道，两个通道的时延值分别为L1和L2，则示波器测量两个信号的时延差与实际值是有偏差的。示波器测量值为：
)()(121LSLSValueBA 然后，将SA信号送入示波器2通道，将SB信号送入示波器1通道，两个通道的时延值分别为L1和L2，则示波器测量值为：
)()(212LSLSValueBA 两次测量结果平均，就扣除了通道时延偏差：
BASSValueValue221
两次测量结果相减，就可以计算出通道时延偏差： 212
21LLValueValue 2
三通道法的原理如图2所示。引入第三个通道，接入信号SC。实验分两步，第一步，先把SA接入1通道，测量1通道和3通道信号的时延差。假定示波器通道3的时延为L3，则示波器的读数为：
)()(331LSLSValueCA 然后，把SA接入2通道，测量2通道信号和3通道信号的时差，计数器读数为：
)()(432LSLSValueCA 第二步，先把SB接入1通道，测量1通道和3通道信号的时延差。假定示波器通道3的时延为L3，则示波器的读数为：
)()(531LSLSValueCB 然后，把SB接入2通道，测量2通道信号和3通道信号的时差，计数器读数为：
)()(632LSLSValueCB 整理四个测量值，可以得到扣除通道时延的SA和SB之间的时差：
BASSValueValueValueValue26453
2．2 双通道交换法试验过程
示波器SASB
通道1通道2
示波器SBSA
通道1通道2
图1 双通道交换法校准示波器通道时延偏差
示波器SASA通道1通道2SC
通道3
示波器SBSB通道1通道2SC
通道3
图2 三通道法校准示波器通道时延偏差 3
用双通道交换法进行时延测试，将两个秒信号作为信号源，测量两信号中间电平之间的时差。首先，将将SA送入示波器1通道，将SB送入示波器2通道，测量三个值，然后将SA送入示波器2通道，将SB送入示波器1通道，再测量三个值，六个值的测量在下表列出： 表1 双通道交换法示波器的测量结果 通道 SA接1通道 SA接2通道 测量次数 1 2 3 1 2 3 测量结果(ns) 15.1204 15.1151 15.1207 15.0915 15.0956 15.0975
测量误差 秒信号抖动误差：10ps 中间电平误差：4ps 读数误差：2ps 计算得到两个秒信号实际时差为：15.1068 示波器1通道和2通道时延偏差23.9ps 2．3 三通道法试验过程 用同样的两个信号，使用三通道法测量时延。另外使用脉冲分配放大器输出的信号作为SC。 将SA接入1通道，用示波器测量SA和SC的时差，记录三次。然后，将SB接入1通道，用示波器测量SB和SC的时差，记录三次。测量结果在表2中列出。 表2 三通道法示波器的测量结果 通道 SA接1通道 SB接1通道 测量次数 1 2 3 1 2 3 测量结果(ns) 15.1026 15.1065 15.1136 0 －0.0036 -0.0028
测量误差 秒信号抖动误差：10ps 中间电平误差：4ps 读数误差：2ps 两个信号的时差为：15.1097ns。 通道偏差没有测量。 2．4 通道校准方法比较 两种测量方法得到的信号时差符合度为2.9ps，小于测量误差，可以认为这两种方法是等价的，都可以消除示波器的通道误差。
3 示波器时基误差评定 我们用的示波器时基准确度度只有10－8量级，这会对时延的测量造成一定影响，这里评定这种影响的大小。 3．1 时基误差影响估计 如果用示波器来测量时间间隔，两个信号间的间隔决定于示波器在这中间的采样，如果时基的准确度不高，肯定会影响到示波器的采样，这样就影响到测量的精度。 测量的精度是两信号之间间隔与示波器时基准确度的乘积。如果要测量的间
隔是1s，示波器的时基在1s间隔内准确度是10－8，则测量的精度受时基的影 4
响是： ss14810101 根据这个结果，示波器如果测量1s间隔的信号，时基误差可以不考虑。 为了验证上面结论，对时基误差的影响进行验证。 3．2 时基误差影响测量方法 设置图3的测试电路。将脉冲分配放大器输出一路秒信号接入示波器的1通道。另一路通过相位微调仪，相位微调仪输出的1pps送入示波器的2通道。
脉冲分配放大器
示波器相位微调仪
通道1通道2
图3 示波器时基误差对测量影响的估计 测量分两步，第一步，设置两信号之间的时差在1000ns，先用示波器测量两者之间的时间间隔。第二步，使用相位微调仪进行移相，当两个秒信号重合时，记录相位微调仪移相的量。 如果示波器第一次测量的时间间隔等于相位微调仪的相移，表明示波器时基的误差可以忽略。 3．3 时基误差影响测量结果 根据上面的测量方法，进行三次试验，实验结果在表3列出。需要说明的是，最后没有把两个1pps信号完全对准，两者之间有一定时差。 表3 时基误差影响的测量结果 次数 对准前 对准后 变化量 符合度
1 示波器 1016.105ns 0.111ns (1016.105-0.111)=1015.994ns 22ps 相位微调仪 3600 -57.5
360/100)5.573600(=1015.972ns
2 示波器 1016.817ns 0.746ns (1016.817-0.746)=1016.0701ns 43ps 相位微调仪 3600 -57.7
360/100)7.573600(=1016.028ns
3 示波器 1016.689ns 0.111ns (1016.105-0.111)=1016.107ns 24ps 相位微调仪 3600 -57.9
360/100)9.573600(=1016.083ns
测量误差 秒信号抖动误差：50ps 中间电平误差：4ps 读数误差：2ps 5
测量结果表明，移相的方式和示波器测量方式两者符合度在测量误差允许范围以内，时基对1s间隔内的测量精度的影响不会超过50ps。
4 结论 通过上面实验，可以得到结论： 1) 示波器通道的两种校准方法精度相同，都可以校准示波器通道偏差；
2) 示波器时基准确度如果为10－8，对1s间隔的测量影响不会超过50ps。
The Calibration of Time Delay Between Different Channel and The Estimation of Time Base Error in Oscillograph
Li Xiaohui Wang Danni Zhang Huijun Bian Yujing National Time Service Center, P.O.Box 3, Lintong, Shaanxi 710600
Abstract：To accurate measure the time different or phase different, the time delay in different channel of measurement equipment would degrade the measure accuracy. In this paper, the method to measure the time delay different in different channel is analysis. At the same time, the effect of time base error is discussedy. Key Words: channel time delay measurement