Die Zeitintervall-Messgenauigkeit der Oszilloskope der WaveMaster-Serie wird in folgender Form ausgedrückt: ±((0.06 * Abtastintervall) +(1 ppm des gemessenen Intervalls)). Diese Spezifikation spiegelt die zwei Hauptquellen der Unsicherheit bei Zeitmessungen auf digitalen Oszilloskopen wider. Die zweite Komponente (1 ppm des gemessenen Intervalls) repräsentiert die Unsicherheit aufgrund der Zeitbasis des Oszilloskops. Die Oszilloskope der WaveMaster-Serie verfügen über eine Zeitbasis von 1 ppm. Dies ist die genaueste verfügbare Oszilloskop-Zeitbasis. Diese Komponente wirkt sich auf längere Zeitintervalle aus. Wenn Sie beispielsweise einen 1-GHz-Takt (1 ns Periode) messen, beträgt die Unsicherheit aufgrund der Zeitbasis 1 fs.

Die erste Komponente der Zeitintervallgenauigkeit (0.06 * Abtastintervall) bezieht sich auf den Messinterpolator des Oszilloskops und die Kurzzeitstabilität der Zeitbasis. Die Zeitbasis trägt im Fall der LeCroy-Oszilloskope nur geringfügig zur Unsicherheit bei. Der Interpolator ist einfach eine Softwarekomponente, die den zeitlichen Ort misst, an dem das Signal einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Aufgrund der maximal verfügbaren Abtastrate von 20 GHz ist in den meisten Fällen eine Interpolation erforderlich. Die Interpolation wird automatisch im Bereich durchgeführt, wenn drei oder weniger Abtastungen an einer gegebenen Kante vorhanden sind. Die Interpolation wird nicht an der gesamten Wellenform durchgeführt. Vielmehr werden für die Messung nur die den Schwellendurchgang umgebenden Punkte interpoliert. Um den Kreuzungspunkt zu finden, wird eine kubische Interpolation verwendet, gefolgt von einer linearen Anpassung an die interpolierten Daten. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1:

Eine grafische Ansicht der Messinterpolation, die zeigt, wie die Time of Crossing (TOC) auf einem abgetasteten Signal bestimmt wird.

Die Genauigkeit der Interpolation hängt von vielen Faktoren ab. Die Schlüsselfaktoren sind die Übergangszeit des Signals, die Abtastrate, das vertikale Rauschen und die effektive vertikale Auflösung. Abbildung 2 zeigt eine typische Berechnung unter Verwendung eines einfachen Modells für ein Signal mit einer Flanke von 300 ps, ​​das mit einem 20-Bit-Digitalisierer mit 8 GS/s abgetastet wurde. Die Signalamplitude beträgt 80 % des Skalenendwerts. Die Beziehung zwischen der vertikalen Auflösung und der zeitlichen Auflösung ist:

$$Δt = Δv/dv/dt$$

Wo t - Zeitunsicherheit
Δv - Amplitudenunsicherheit
dv/dt - Steigung des Übergangs

Abbildung 2:

Ein einfaches Modell, das die Zuordnung von vertikaler Unsicherheit zu Timing-Unsicherheit veranschaulicht

Bei einer vertikalen Unsicherheit von 1 lsb (1/256 des Skalenendwerts) und basierend auf der Steigung von 0.8 des Skalenendwerts über 6 Samples (300 ps bei 50 ps/Sample) ergibt sich die äquivalente Zeitunsicherheit zu:

$$Δt = (1/256) / (0.8/6) = 0.03 Abtastperioden

Da die Abtastperiode 50 ps beträgt, beträgt die Unsicherheit für diese Messung 1.5 ps. Diese Zeitunsicherheit gilt für jede einzelne Messung.

Die meisten Messungen dieser Art werden nicht isoliert durchgeführt. Mehrere Messungen ermöglichen es Benutzern, die Variation der gemessenen Werte zu untersuchen. Wie bei allen Messungen nimmt die Unsicherheit des Mittelwerts der Messwerte bei Mehrfachmessungen ab. Bei Gaußschen Verteilungen nimmt die Unsicherheit einer Messung mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der Messungen ab. Eine 100-malige Wiederholung der Messung ergibt also eine 10-fache Verbesserung der Genauigkeit des Stichprobenmittelwerts. Das Diagramm in Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse von 20 Messreihen des period@-Pegelparameters auf einer 700-MHz-Rechteckwelle. Jeder Messsatz wurde an einer Erfassung durchgeführt, die 35,000 Zyklen umfasste. Dies würde die spezifizierte Unsicherheit auf die Größenordnung von 16 fs reduzieren. Die Messung wurde mit einem Frequenzzähler korreliert, der auf derselben Achse aufgetragen ist. Beachten Sie, dass die Oszilloskopmessung gut innerhalb der normalisierten Spezifikationsgrenzen liegt und gut mit den Zählermessungen übereinstimmt. Beachten Sie, dass die horizontale Skala im Diagramm 20 fs pro Teilung beträgt.

Die Verwendung von abgetasteten Daten beschränkt die Zeitmessungsgenauigkeit nicht auf die Abtastperiode. Zeitmessungen an richtig abgetasteten Wellenformen können mit einer Auflösung in der Größenordnung von Pikosekunden mit einer statistischen Genauigkeit des Mittelwerts bis hinunter in den XNUMX-Femtosekunden-Bereich gemessen werden.

Abbildung 3:

Wiederholbarkeit einer Periode @ Pegelmessung über 20 Erfassungen