因此，如果示波器的带宽不够高，即示波器本身的上升时间不够快，导致在示波器测出的信号上升时间变缓，使得时间测试精度下降。

(1)    多通道时间偏差消除(Deskew) 当进行多通道时延测试前，为了消除测试系统的通道间时间偏差，例如由于不同的通道延时，电缆和探头的延时等。因此，示波器中需要支持Deskew功能，根据测试需求小于1皮秒为单位消除时间偏差。

 (3) 多通道下的采样率 高采样率不仅能够避免信号混叠，得到高保真的信号波形，同时它也是得到高精度时间信息的关键。针对多通道时延测试，需要示波器每一个通道支持独立的高速ADC采样，这样避免由于打开多个通道导致采样率降低。采样降低，采样间隔变大，导致时间测试精度下降，如图1所示。因此，在多通道测试时间测试时，需要示波器的每个通道都要支持最高的采样率。

(4) 实时内插采集模式 当测试的时间精度需要更高时，在多通道ADC硬件采样率最高的前提下，通过实时内插的方法能够进一步提高时间测试精度。目前，示波器在四通道同时使用时最高支持50GS/s的采样率，其相邻样点间隔为20ps，如果测试精度要求皮秒级，50GS/s的采样率难以达到很高测试精度要求，通常在示波器的中都有实时内插模式，实时内插就是在两个实际数据采样点之间插入数学运算点，插入的数据点可提高较快时基下的时间测量精度和使波形更接近真实。其中实时内插技术包括线性内插和正弦内插Sin(X)/X，图2是使用线性内差的正弦波实例，图3是使Sin(X)/X内差的正弦波实例。通过图中可以看出正弦sin(x)/x内插技术是更加接近真实的波形，时间测试精度更高，因此在使用示波器进行高精度时间测试时，利用内插模式配合高速采集内存，可以在20ps的ADC样点间内差多个样点，得到更高的时间分辨率，最小时间间隔为0.2ps。

(5) 多通道下的高速采集内存 在实时示波器中，采样率×采集时间＝采集内存，对于测试高精度的长时间间隔信号，需要高速采集内存配合高速采样。对于采集1ms时间1.2G载波的通信信号，例如BPSK，在最大采样率下需要的内存长度＝50GS/s×1ms＝50M。

传统示波器设计时采用将高速采集前端（多达80颗ADC）和高速内存在物理上用一颗SOC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部实现，导致片内高速内存容量的限制（在2GS/s以上时小于2M），而且无法对内存扩展升级。为了弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用在芯片外部添加低速存储器弥补片内高速内存的限制，但外部存储器不能在高采样率下工作，一般只能提供2GS/s，样点间隔500ps，无法在信号边沿采集足够样点，甚至出现会出现混叠，所以它无法提供高精度时间测试结果。现在示波器设计采用硅锗（SiGe）半导体集成采集前端，并使用每一个通道独立的高速存储器，这样就保证同时支持最大采样率和存储长度，使得可以满足高精度的时间测试。

(6) 强大的触发能力 当需要进行多次采集来得到时间信息时，示波器自身的触发抖动会累加在被测信号上，会影响时间测试结果。高性能示波器的触发抖动一般1ps左右，足以满足测试高精度的测试需求。对于高速的射频通信信号，另一个重要的指标是触发带宽，触发带宽不足会导致无法同步被测信号，因此需要的示波器的所有触发功能（包括边沿和多种高级触发）的触发带宽足够高，以保证稳定的采集被测信号，使得时间测试更加准确。

3         时间测试精度

通常，在选择示波器进行时间测量前都会通过查看仪器的指标来了解其测试精度，以保证足够的容许误差和测量余量，高精度时间测试也不例外。如前所述，时间精度受到许多因素的影响，还包括示波器的时基稳定度、取样噪声和内插误差。

时基稳定度是示波器一个主要指标，在示波器采样系统中，定时元件的稳定性直接影响着定时测量精度。如果时基有误差，那么基于该时基进行的测量会具有同等或更大的误差。示波器中的时基稳定性包括参考时钟、倍频器、计数器等相关电路的稳定性。

内插误差是由在实际电压样点之间进行线性内插导致的误差。在测量100 ps上升时间的信号，示波器以50 GSa/s采样率在50%电压门限上进行检测时，这一误差要小于0.2 ps RMS。在许多情况下这一误差可以使用示波器中的Sin(X)/X正弦内插及其它方法改善，例如充分利用示波器的垂直动态范围，使输入信号幅度达到示波器满刻度。在大多数情况下，这一原因导致的误差会远小于其它误差源，并且通过使用如Sin(X)/X内插，可以进一步减小这一误差。

另外两个误差源分别是ADC孔径不确定性和量化误差。这些误差可以表现为幅度噪声和定时噪声，具体取决于取样数据使用的方式，很难区分该误差的实际来源，因为模数转换的时间不同。由于采样头要求有限的时间选通样点(ADC孔径不确定性)，任何取样都可能同时包括时间误差和幅度误差。由于ADC分辨率和相关量化误差的综合结果，取样时间和电压样点位置会表现出有限的误差。幅度噪声是定时测量精度中另一个因素。在快速边沿中，幅度噪声的影响最小，但在边沿速率变慢时，幅度噪声会占据主导地位。这是因为在边沿速率相对于系统带宽变慢时，幅度噪声会改变跨越门限的定时，这样幅度噪声就会变成定时测量误差。

针对上述多种因素的影响，怎样才能确保结果是精确的呢？或者说如何评估示波器的时间测试精度呢？示波器最早使用“增量时间精度”（Delta Time Accuracy）指明时间测量的精度。这一指标在数字实时示波器中至关重要，因为它包括前面提到的所有影响时间精度的多种效应导致的总体影响。

一般增量时间精度 (DTA)指标分为2大部分，分别反映在时间测试上的短期稳定和长期稳定的性能：

其中SI是采样时间间隔，单位为秒，例如四通道50GS/s采样率下，样点时间间隔为20ps。MI是测量时间间隔，单位为秒； 1ppm表示示波器的Time base and Delay time accuracy，它反映了时间上的长稳特性。0.06是示波器采集系统常系数，由输入信号的噪声和幅度比值，以及采样的短期和长期不确定性等因素决定。

采用上面的公式来定义DTA是因为几个不同因素对精度的影响不同。首先是时基精度，一个10.0 MHz参考源的校准精度以及校准后是否漂移，都会影响长时间测量结果。例如，在测量一个时间为1.0 ms脉冲时，低于皮秒级的影响(如内插误差)相对于0.4 ppm校准偏差引起的误差非常小，因为1.0 ms ×0.4ppm，得到误差高达400 ps。

例如通过使用示波器（20GHz带宽，50GS/s采样率）进行两个不同时间的测量(一个短时间周期、一个长时间周期)，可以查看主要定时误差的来源。当测试时间为1ns时，使用50GS/s实时采样率进行采样。根据DTA公式可以得到下面时间精度：

间周期、一个长时间周期)，可以查看主要定时误差的来源。当测试时间为1ns时，使用50GS/s实时采样率进行采样。根据DTA公式可以得到下面时间精度：

当在测量时间为100ms时，根据DTA公式可以得到下面结果：

在这种情况下，我们看到在测量时间更长时，常数0.06所决定的短期时间效应变得远不及时基校准和稳定性对长时间结果的影响明显。例如：在泰克示波器中，采用一种独有硬件技术保证更高的时间测试精度，称为实时内差模式，它作用在示波器采集前端，通过sinx/x内差算法在ADC的样点间插入样点，并且可以调节插入的样点数目，最小样点间隔为200fs。

4.    如何得到高精度的时间测试结果

    前面介绍了利用高性能示波器进行高精度时间测试受到示波器的一些指标参数影响，所以要进行高精度的时间测试需要选择一台满足测试需求的高性能示波器，并要进行相关的设置，使得达到最佳的测试精度。

    1. 选择一台能够满足在多通道使用时同时达到足够带宽的高性能示波器，以便可以不失真地采集被测信号。有时需要利用高带宽示波器测试一些低频信号，前面叙述了示波器的噪声也影响高精度时间测试，由于示波器是宽带接收机，带宽越大，噪声也相应增大。目前在高性能示波器中，可以根据信号的带宽选择所合适的示波器带宽(见图4和图5)，以便可以达到最佳的时间测试精度。

图4

                                       图5

   2.当进行多通道时延测试前，调节示波器的Deskew,消除测试系统的通道间时间偏差。

   3.充分利用示波器的垂直动态范围，使输入信号幅度达到示波器满刻度，并设置示波器的采样率到最高能支持的速率，当测试的时间精度需要更高时，在多通道ADC硬件采样率最高的前提下，通过设置示波器中的Sin(X)/X正弦实时内差的方法能够进一步提高时间测试精度。在实时示波器中，采样率×采集时间＝采集内存，对于测试高精度的长时间间隔信号，需要高速采集长内存配合高速采样，从公式可以得出，如果高速采集内存的不够长，会导致采样率无法到达最高。使得时间测试精度下降。

   4.设置好示波器的触发，使得被测波形在示波器上稳定显示。

   5. 如果测试超过毫秒的时间间隔，可以使用示波器的触发延迟(Trigger Delay)功能， 即触发后延时一个固定时间。从公式(2)中，对于长时间间隔测量，长稳精度影响高精度时间测试的主要因素，为了提高测试精度，在示波器上标准10M的外参考时钟输入端接入外部的高稳时基来改善时间测量精度，如铯钟，铷钟等。对于短时间延时测试，长稳特性不会的测试的时间精度造成很大影响，使用高采样率下的长内存采集波形直接测试即可。

5.    测试实例

下面以卫星通信测试为例，在卫星通信中，要求测试同步信号和延时100ms后射频通信信号在固定相位翻转点的时间处的抖动变化。其中同步信号为上升时间亚纳秒脉冲信号，射频通信信号为QPSK调制信号，载波频率为5GHz，图6为被测信号的两路波形，黄色的波形为同步信号和紫色的波形为射频信号。

图6

利用高精度示波器配合高稳时间基准对该信号进行测试，其中示波器的带宽为20GHz，四通道同时使用时支持50GS/s实时采样率，四通道工作模式下每通道最大200M的高速采集内存，以及针对宽带信号的丰富的分析和显示功能。

分别把同步信号和射频信号分别连接示波器的通道1和通道2，通道1作为示波器的触发通道，即在同步信号触发； 通道2测试射频通信信号,并按照上文所述对示波器的参数进行最佳设置，使得时间测试精度达到最高，见图6。由于需要测试同步信号和延时100ms后射频通信信号时间抖动变化，因此使用示波器的触发延迟(Trigger Delay)功能， 即在通道1触发，触发后延时一个固定时间100ms后采集通道2射频信号波形，找到相位翻转点，通过光标，统计测试相对于通道1的抖动信息从而得到测试结果,见图7，在图7中，黄色的波形为同步脉冲信号，紫色的波形为射频通信信号，下面的波形为射频信号的放大图。

图7

 根据前面提到的增量时间精度的影响（DTA），当前示波器提供的时基系统的精度都在1-2ppm左右。测试100ms时间信息得到的时间精度在其它条件满足的情况下为100ns左右，难以达到高精度时间测试的要求。

所以通过上面公式能够看出，针对长时间的精确时延测试，根据本文前面提到，时基系统的长稳时间精度非常重要。针对上述应用，需把外部高稳时基(铷钟)接入示波器的标准10M的外参考时钟输入端来改善时间测量精度。该时钟稳定度应该在经过加电稳定后在测试的时间范围内达到小于 1 ×10^-10，这样测试100ms时间信息得到的时间精度在其它条件满足的情况下为11.2ps左右，从而满足高精度时间测试的要求。

5.    总结

    面对当前各种高精度时间测试，首先是根据当前的实际应用和指标要求选择合适的测试工具和测试方法。高性能示波器是进行高精度时间测试的关键工具，在进行高精度时间测试前，需要了解示波器对高精度时间测试精度影响的关键指标和测试方法，例如DTA等，以及不同测试参数对测试结果的影响，这是保证高精度时间测试结果的前提。

高精度时间测试时需要对示波器整体性能进行评估，例如多通道示波器带宽、多通道时间偏差消除、多通道下的采样率、实时内插采集模式、触发系统以及还需要与之匹配的高采样率下的采集内存长度，这样才能进行高精度的时间测试和分析。

目前，第三代数字荧光示波器不仅提供提供了与带宽，采样率匹配的高速存储长度，还提供业内最高的时间测试精度。

参考文献

1          陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器.北京[M]：电子工业出版社，2005

2          王世一. 数字信号处理. 北京理工大学出版社，1997

3          丁丽娟. 数值计算方法. 北京理工大学出版社，1997