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脉冲过渡持续时间测量技术

/pulse transition duration measurement technology/
条目作者赵科佳

赵科佳

最后更新 2023-08-04
浏览 153
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在满足示波器瞬态响应时间小于脉冲过渡持续时间1/3的测量条件下,采用示波器对脉冲波形的过渡持续时间进行无失真的准确测量的技术。

英文名称
pulse transition duration measurement technology
所属学科
仪器科学与技术

示波器瞬态响应时间由标准脉冲信号来测量,要求标准脉冲的过渡持续时间满足小于示波器瞬态响应时间1/3的测量条件。随着示波器带宽指标的不断提高,示波器瞬态响应时间越来越小,标准脉冲信号的过渡持续时间已无法满足校准示波器瞬态响应时间的测量条件要求。为解决脉冲过渡持续时间的溯源技术问题,逐渐发展出了“Nose-to-Nose”(NTN)技术和电光采样(EOS)技术。

将三台相同的取样示波器进行两两对接测量。先将两台取样示波器的测量通道用微波转接器对接,形成“鼻对鼻”的连接方式,其中一台取样示波器设置为对直流进行采样,它将产生kick-out脉冲,则另一台取样示波器可测得kick-out脉冲的响应波形。依次轮换取样示波器进行两两对接测量,得到三组响应波形的测量结果。由于测量得到的响应波形为一台取样示波器的kick-out脉冲与另一台取样示波器系统冲激响应的卷积结果,基于取样示波器的系统冲激响应正比于kick-out脉冲的技术原理,可利用数字反卷积等信号处理技术,从三组测量结果中计算出每台取样示波器的系统冲激响应,再对其做积分运算即可得到取样示波器的阶跃响应过渡持续时间,实现取样示波器瞬态响应时间的测量。同时,可利用傅里叶变换技术,由取样示波器的系统冲激响应计算得到系统幅频响应,实现取样示波器模拟带宽的测量。

NTN技术摆脱了源校表的技术路线,具有自校准的技术优势。但是,NTN技术的实现是基于美国安捷伦科技公司(Agilent Technologies)生产的取样示波器的测量原理,不适用于其他类型测量原理的取样示波器的校准测量,也不适用于实时示波器的校准测量。由于NTN技术的局限性,以及新测量技术的发展,对于50吉赫以上模拟带宽的取样示波器瞬态响应时间的校准测量,国际上已逐渐摒弃了NTN技术,重新回到源校表的技术路线。

将飞秒脉冲激光源输出光束分为两路:一路光束用于激励光电探测器产生皮秒级电脉冲信号,经微波探针传输到以电光效应晶体为基底的共面波导(CPW)上;另一路光束作为采样光,经可变延迟光路和会聚透镜入射到CPW的传输线间隙内。利用等效时间采样原理,按固定步长增加延迟光路的位移量,实现被测脉冲信号不同相位点的采样测量。利用晶体折射率随电场变化呈线性关系的原理,通过测量采样光透射偏振态的变化量,计算得到被测脉冲信号某一相位点在CPW上的电压变化量。最终,按延迟时序将所有相位点的电压测量结果合成,重构出脉冲信号的时域波形,再经数字信号处理技术计算得到脉冲过渡持续时间等波形参数,从而实现超高速电脉冲波形参数的测量。

进一步,可利用被电光采样技术测量过的光电探测器校准宽带示波器的瞬态响应时间。宽带示波器直接测量光电探测器输出的脉冲信号,由于光电探测器输出脉冲波形数据已知,利用数字反卷积技术可将示波器的系统冲激响应从测量结果中解算出来,再经积分运算即可得到宽带示波器的阶跃响应过渡持续时间,从而实现宽带示波器瞬态响应时间的测量。同时,可利用傅里叶变换技术,由宽带示波器的系统冲激响应计算得到系统幅频响应,实现宽带示波器模拟带宽的测量。

应用电光采样技术校准的高速脉冲源来校准宽带示波器瞬态响应时间的测量技术,是在经典的源校表技术路线基础上,结合数字信号处理技术,解决了脉冲过渡持续时间与示波器瞬态响应时间之间的测量条件技术瓶颈,系统带宽可达太赫兹量级。电光采样技术已逐渐成为国际上脉冲过渡持续时间参数溯源的主流技术路线。

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