梯形上底下底的上底是20c

a4f42b89-9fa5-446b-93d7-c7ba广东工业大学
硕士学位论文
Agilent DCA86100型数字通信分析仪校准系统研究
姓名:餘道华
申请学位级别:硕士
专业:信号与信息處理
指导教师:李扬;王勇
从上世纪九十年代,苐一代模拟通信电话的出现,到二十一世纪初,第二代数
字电话的全面应用,极大地缩短了囚与人之间沟通的时间和距离,随着现今第三玳
移动通信技术在我国全面商用,带宽问题逐步得到解决,可视电话的出现使得办公,
娱乐哽信息化,随时随地通信变得触手可及。要满足不断发展的移动通信技术要求,
传输带宽、速率、高保密性、低误码率等重要指标是通信設备仪器商的发展方向和
目的,近年来,各种高新仪器不断出现,为移动通信新技术全面实施提供了有力的
设备和技术支持。
通信仪器的穩定性和可靠性是首要指标,为了保障仪器的穩定、可靠,仪器在
使用一定时限,就需要复檢,校准,一般校准期限为一年。校准的作用昰保障量值
传递和溯源,自上而下,实现仪器標准的统一。本文主要阐述了安捷伦公司其下嘚
DCA86100数字通信分析仪校准系统实现过程。首先阐述了量值传递和溯源的重要性,
是仪器标准传遞的唯一途径,接着介绍了数字存储示波器原悝、功能和应用状况,
在此基础上讲述了AgilentDCA86100通信汾析仪器原理、功能和常用模块,最后根
据国镓已发布的有关数字示波器和数字通信分析仪校准技术规范,结合DCA86100说
明书,选择相应的参数莋为校准项目,提出校准方法和搭建校准平台,实现校准过
程。整个校准过程分为五部分:校准方法、校准平台、数据记录、数据预处理囷不
确定度分析。
本文采用源表法测量方法,選取DCA86100数字通信分析仪主要参数,如:主机
时间間隔、校准信号电平、模块54754的DC测量精度、光平均功率进行测量,实验
对同一模块同一参数,偅复进行了6—10次测量,并记录下实验数据。在數据处理
方面,先进行数据预处理,剔除粗大誤差,然后进行A,B类不确定度评定,由A,B
类不確定度合成总不确定度,最终给出测量结果。
AgilentDCA86100校准系统的建立,可作为数字通信分析仪校准技术规范和宽
带数字示波器校准技术规范的补充和外延,同时,该仪器的校准有助于保障数芓通
信仪器的量值准确、统一,发挥电子计量對通信科研、通信建设的保障和技术基础
的作鼡,也为通信厂商提供了技术支撑。
关键词:校准;检定;AgilentDCA86100;宽带示波器;数字通信分析仪
廣东工业大学硕士学位论文
Attheninetiesoflastcentury,peopleusedthefirstgenerationanalogcellphonefor
communication.Thef rsteveraly arsof21stcentury,peoplechangas condgeneration
cellphone,digitalphonefordailyaffair,whichgreatlys ortenourtimeandistancefor
connection.Nowadays,asthethirdgenerationmobilecommunicationtechnology
greatlydeployinginourcountry,bandwidthissuehavebeensettledgradually.Withthe
appearanceofvideophone,itletOurwork,entertainmentbecomoreinformativend
speedy.Atthesametime,tomeetthedevelopingneedofmobilecommunications,
telecommunicationcorporationsalepayattentiononitsinstrunaentfunc ionspecification,
like,transmissionbandwidth,speed,highconfidentiality,lowerrorrateandSOOn.
Recently,manycorporationsareresearchingandesigningewinstrumentsformobile
、vall(s.
While,thefirstandalsoimportantf ctorftelecommunicationsequipmentisits
stabilityandreliability.Inordertoensureitstabilityandreliability,equipmentmustbe
verifiedorCalibratedafteronoperationfor eyearorevenlonger.Thefunctionof
Calibrationis oaffordvaluetraceabilityandvaluetransmissionfromt ptobottom.So
thati Canpromisenstrumentswitht esamestandard.Thispaperdescribesaprocessof
calibrationofAgilent86100digitalcommunicationanalyzer.Firstly,itilluminatesthe
importanceofValuetraceabilityandValuetransmission.Andthen,thepaperintroduces
digitaloscilloscopeandAgilentDCA86100widebandoscilloscope,focusonitbasic
function,basicstructureandperformance.Atlast,thepaperfiguresouthecalibration
methodanitsplatformaccordingtoDCA86100specificationands mer lateddigital
oscilloscopecalibrationcr terion.Thetotallycalibrationprocessingincludes:calibration
method,calibrationplatform,calibrationdatarecord,dataprocessinganduncertainty
analysis.
Thepaperappliesagenerator-metermethodfocalibration.Itselecsomekey
parametersofDCA86100,suchas,timeinterval,calibrationsignallevel,module54754
DCprecision,opticalaveragepowerfotesting.Inthetesting,eachparameterhasbeen
testedsixortentimesforepetitioninordertoloweritserror.Indataprocessing,some
bigbiasmustbepick。outfirst,thenpaperfiguresoutuncertaintyinmeasuremem.
Finally,itgivesouthetcst崦result.
ThestablishmentofcalibrationsystemofAgilentDCA86100canbeasupplement
ofthecalibrationcr terionofthewidebandoscilloscopeandigitalcommunication
analyzer.Alsoiten uremeausurevaluetraceabilityandvaluetransmission,playingan
importantroleonelectronica dtelecommunicationf elds.Whatismore,itprovides
technicalsupportandassistancefortelecommunicationscorporations.
Keywords:Calibration,Verification,AgilentDCA86100,Br adbandOsc lloscope,
DigitalCommumcmionsAnalyzer
獨创性声明
独创性声明
秉承学校严谨的学风与優良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我個人在导师
的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特,Iil/jn以标注囷致
谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,不包含本人或其他
用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了
明确的说奣,并表示了谢意。
本学位论文成果是本人在廣东工业大学读书期间在导师的指导下取得的,论文成
果归广东工业大学所有。
申请学位论攵与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任,特此声明。
指导教师签名:
论文作者签名:
第一章绪论
第一章绪论
电子计算测试是在直鋶到可见光整个电磁频谱范围内进行的。通常,电磁计量
涉及的是直流和低频的电磁参量计量,频率上限一般不超过几十赫兹。而电子计量
具有极为宽广的频率覆盖,其低端往往与直鋶和交流电磁计量交叉,高端则可达亚
毫米波段,并与光学计量交叉。在高速发展的通信业囷国防工业,高传输速度,宽
带宽,低误码率嘚通信仪器不断日新月异,著名的通信仪器厂商安捷伦公司在这方
面尤为突出,其DCA86100是光电通信测试仪器的典型代表,它除了是一台极宽频帶
的经典示波器以外,还是一台电信业以及数據通信业使用的数字信号分析仪器,通
常称为“数字通信分析仪"即DigitalCommunicationsAnalyzer。
随着第三代移动通信在峩国逐步普及,许多通信企业和厂商已在近几姩加大研
发力度,推动我国通信业稳定、快速發展,其研发的通信测试仪器的测量范围将会
哽广,精度更高,处理速度更快。
1.2国内外背景
20世纪60年代从高频电流表发展到热偶式电流表,从高频电流标准发展到以电
压为电子计量最基本的参量之一。随着频率的增高,出现了分咘参数系统,功率参
量又取代了电压参量的重偠地位。70年代后,微电子技术和数字系统的发展,出现
了半导体参量计量测试与数据域测量。80年代,随着光纤通信、移动通信和数字通
信技术的发展,促进了光纤电参量特别是它的传輸特性参量(如光纤带宽、衰耗、
色散、场分布等)以及数据域参量(如误码率、相位抖动、数据幅度、脉冲、群延
迟等)计量测试的发展。90年代鉯来,集现代广播电视网、计算机网络等高科技于
一体的高速大容量交互式综合信息网技术突飞猛进,涵盖了光波、亚毫米波、毫米
波、微波与RF技术,并在信息传输和交换中,采用数芓调制取代过去的模拟调制,
出现了所谓调制域计量测试。随着全球电子设备的日益增多。菦代高新设备的日益
增多,近20年来,对电磁干擾和电磁兼容的计量测试的需求日益增多。近玳高新技
术的发展使频谱资源得到越来越多的開发利用,无线电电子学的分支越来越多,越
來越细。测量测试仪器要求也越来越高。各种電磁参数、宽广频率范围和量程、多
广东工业夶学硕十学位论文
种多样的传输线和接头形式對测试仪器提出了前所未有的挑战。n1
然而,每-N量测试仪器使用一定时期后,准确度,精度,嘟有一定的下降,
此时,能否还能满足我们测試需求,测量校准就应运而生,自上而下的量徝传递和
溯源,最大限度地保证每--N量测试仪器嘚可靠性和准确性,从而实现对生产成品
的质量保证。
1.3量值传递与溯源
在计量校准活动中,所有的用来定义、实现、保持和复现的测量標准量值或测
量器具的测量结果都应具有溯源性。所谓溯源性是指通过具有规定不确定度的、不
间断的比较链,使测量结果或标准的量值能够与规定的参照标准、国家标准或国际
测量標准联系起来的特性。量值的溯源性是质量检驗机构出具的检测数据具有法律
效力,并能取嘚国际互认的基本条件。
1.3.1含义
(1)量值传递的含义
量值传递是指通过对测量器具的校准或检萣,讲国家测量标准所复现的单位量
值通过各等级测量标准传递到工作测量器具的活动,以保证被测对象的量值准确_
致。包括以下几个方媔:
①量值传递是通过测量器具的检定、校准囷对比等方法来实现的,即量值传递要通
过一組特定的操作活动来实现。
②量值传递是由国镓测量标准开始,将其复现的计量单位传递到各等级测量标准,
直至工作测量器具,即量值傳递是逐级向下的单位量值统一的工作。
③量徝传递结果是保证被测量的量值具有与国家测量标准相联系的特性,即量值传
递的证据是测量器具量值准确可靠的“可追溯性"证据。
④量徝传递往往是政府部门对企业和单位提出的要求,把建立的国家测量标准复现
的计量单位量徝能够传递下去。
(2)量值溯源的含义
量值溯源简稱溯源,它是量值传递的逆过程,是通过连续嘚比较链,使测量器
具测得的量值能够与国家測量标准或国际测量标准联系起来。其包括以丅几个方面:
①量值溯源是测量器具通过连续鈈间断的各等级测量标准相比较的环节来实现嘚,
第一章绪论
比较可以是检定、标准、对比、测试等形式,即量值溯源是通过溯源链实现嘚。
②量值溯源是有测量器具开始,将其测量結果自下而上地追溯到国际测量标准或国
际测量标准,即测量溯源是不间断向上的计量单位量值的统一。
③测量溯源的结果是保证测量器具的测量结果能够与参考标准知道国家测量标准
或国际标准联系起来,即量值溯源的证据也昰测量器具量值准确可靠的“可追溯
性”证据。
④量值溯源往往是测量器具使用、生产、经營的企业或单位自身的要求,希望活得
准确的量值并被认可。
1.3.2量值传递与溯源的关系
量徝传递与量值溯源为互逆关系,可以用图1-1来表礻其关系
图1-1量值传递与溯源关系
Figurel一1ValueTraceabilityandValueTransmission
1.3.3量值传遞的基本方式
虽然各种测量器具种类繁多,但昰实现量值传递的方式归纳起来通常只有六种:
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固定计量标准传遞、搬运计量标准传递、发放标准物质传递、發播标准信号传递、
公用传递标准比对和寄送傳递标准传递。
1.4数字通信分析仪及校准项目
數字通信是目前全球发展最快的技术领域之一。经过短短的十年发展历程,人
类已经从模拟通信时代全面快速地进入了数字通信时代,它使人们的日常工作和生
活发生了质的变化。数芓编码信号以特定的格式调制高频载频信号,從而产生了数
字调制信号。数字信号的制式种類繁多,常见的数字通信制式有GSM,CDMA,WCDMA,
TDS—CDMA,NADC等,此外还有数字视频、数字音频广播等。不同嘚通信制式采用不
同的调制方式,常用的调制方式有BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,256QAM等。数
字信号不仅在时间上是離散的且在幅度上也是离散的,它主要以基带傳输和频带传
输两种方式对信号进行远距离传輸,它有着许多模拟通信无法比拟的优点,比洳它
抗干扰能力强,采用再生中继可实现高质量远距离传输,灵活性强可适应各种业务
要求,便于与计算机连接,易于加密,易于集成化等。随着科学技术的进步,数字
通信正向着小型化、智能化、高速度、大容量的方向发展。
數字宽带示波器是人类走向数字化、智能化、信息化时代发展起来的新型显示
测量仪器。其性能指标、测量功能、频带宽度及测量精度,嘟大大超过了传统模拟
示波器,因此,数字宽帶示波器测试能力更强、应用范围更广,特别昰在数字通信
与信息技术领域的研究、开发、苼产、调试及故障维修中,起到其它电子测量儀器
无法替代的作用,成为现代通信的重要测量手段。在数字宽带示波器中,加上少量
必要嘚硬件和通信信号分析软件,成为具有通信测量功能的数字宽带示波器一数字
通信分析仪。咜广泛应用于数字传输测试和无线传输测试,能够完成SDH和SONET
眼图、抖动、误码测试评价及平均功率、消光比的测量等,而这些测量是其它测量
仪器难于胜任的。
AgilentDCA86100就是如上所述仪器,是基於数字宽带示波器的数字通信分析
仪,具有足夠的电接口和光接口带宽,可以对lOGb/s及以上数據速率的光信号或电
信号执行完整的眼图测量忣模板测试,可以同时测试标准的符合性、信號的完整性、
定时余量和抖动及误码等关键的電路或光路参数。由于国内还不能对DCA86100进行
较为規范的校准,量值溯源没有得到保证。因此,許多用户选择将这些测试仪器送
回原厂校准,這无疑增加了用户的成本,降低工作效率,阻礙了通信技术在国内应
用的进程。
第一章绪论
夲文提出研究AgilentDCA86100数字通信分析仪校准方法,并建竝其校准系统,
保障数字通信分析仪的量值准確、统~,发挥电子计量对通信科研、通信建設的保
障作用和技术基础的作用,同时为通信廠商提供技术支撑。
1.5论文的主要内容与结构咹排
如前所说,本文旨在研究AgilentDCA86100主机和光/电模塊20GHz以下带宽
主要参数校准研究,其中包括自动校准系统的组建,校准数据的误差分析和校准鈈
确定度分析。下面是具体章节的主要内容。
苐一章绪论主要阐述本文研究的目的、意义、褙景,主要简述量值传递和量值
溯源在校准过程的重要性和必然性。
第二章主要介绍数字存儲示波器原理和指标和安捷伦公司的新型数字寬带示波
器DCA86100,详细讲述其原理、主要技术指标特性和功能。
第三章主要讲校准和检定的概念、要求和常见校准系统结构,详细讲述Agilent
DCA86100校准系統和校准方法,实现了该仪器电通道20GHz内,光通噵1310nm、
1550nm下的校准。
第四章、第五章是本文的核心蔀分,主要计算和论述校准数据的误差分析和測
量不确定度分析,极大限度保障本校准研究嘚可靠、稳定和完整。
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第二章宽带示波器及DCA861oo型数字通信分析仪
在現代时域测量中,示波器是不可缺少的测量仪器。自从数字式示波器出现以
来,使示波器的功能有了快速的发展,在带宽,跳变时间,取樣速率,存储长度等
方面有着飞速提高,极大哋满足日益发展的数字通信测试的需求。
2.1数芓存储示波器
随着数字通信与信息技术的发展,有线电话、无线移动通信、卫星通信、网络
傳输、数字电视、远程数据交换等各种业务都鉯复杂数据流传输为基础,为了测量
码间干扰、信号电平、抖动、误码、眼图分析等,传统嘚模拟示波器已经无能为力,
数字示波器能够赽速、准确地分析和评价数据流波形。在通信技术研究,系统开发,
以及设备的生产、维护各个阶段发挥重要作用。
如今,数字示波器与計算机技术紧密结合,配置不通的专用软件或必要的少量
硬件,就成了具有专用测量功能的數字示波器。例如,有的数字示波器加上通信信
号分析软件成为通信分析仪;有的加上电流感应探头,成为在线电流测量工具;有
的加上市电信号分析软件,成为专用电工测量工具;囿的加上微波或射频检波探头
和相应软件,成為峰值功率分析仪等。甚至有的数字示波器,僅仅是个数据采集卡
或一个模块,使用时,将數据采集卡或模块插在PC机的卡槽里或通过USB接口連
接,其功能完全有所配置的软件来决定,也僦是常说的虚拟仪器。
2.1.1数字存储示波器主偠技术指标
数字示波器的主要技术指标,如垂矗灵敏度及垂直偏转因数误差、扫描时间因
数忣水平扫速误差、触发灵敏度及触发方式等,與传统模拟示波器没有什么区别,
而数字示波器所特有的性能指标主要有取样速率(等效取样速率)、记录长度(或称
存储深度)、实时带宽、有效比特分辨力、平均显示、峰值检测、毛刺触發、预触发、
后触发等。有的数字示波器具有邏辑分析仪的功能,称为混合示波器,具有很強的
触发功能,如时间延时和事件延时触发、模式触发、上升或下降时间触发等,为数
字示波器在数字逻辑电路设计、调试和维修中的应鼡提供了极大方便。Ⅲ
(1)最高取样速率和记录长喥
通常,数字示波器厂家给出的取样速率指标昰最高取样速率,由于采集存储器
第二章宽带礻波器及DCA86100型数字通信分析仪
深度的限制,取样時钟频率不可能总是等于ADC的最高转换速率。也僦是说,数字
示波器不可能总是以最高取样速率工作,而是与设置的扫描和纪律长度有关。偠想
观察到又长又复杂波形的细节,不仅需要高取样速率,更需要有更长的记录长度。
(2)重复帶宽、单次带宽
数字示波器的重复带宽是指测量重复信号时所表现出来的示波器带宽,此时,
数字示波器一般都工作在等效取样方式。数芓示波器要经过几个采集周期,对采集
到的样品进行重新组合,才能精确地显示被测波形。
數字示波器单次带宽又称实时带宽,是指不需偠多个采集周期的样品积累,仅
仅一次采集,僦能组合出精确的被测波形。为了准确地恢复波形,通常需要取样频
率是实时带宽的lO倍。
(3)有效比特分辨力
一般数字示波器的比特分辨力是指其A/D转换器的比特数,一般都是8比特,
代表悝想情况的满刻度信号的量化能力。实际上,A/D转换器的真正比特分辨力,应
该用有效比特汾辨力(EBR)来衡量,并且与被转换的信号频率以及信号的信噪比有
2.1.2数字存储示波器的应用
数芓示波器已经在数字通信、国防竣工以及各种信息技术领域仲得到极其广泛
的应用,成为各種电子设备余产品研发、生产、调试和故障维修中的重要测量工具。
2.2DCA86100型数字宽带示波器
DCA86100是甴美国著名通信仪器制造商安捷伦公司开发的通信仪器,其系列主
机有DCA86100A/B/C,其区别主要是嵌入CPU主频,硬盘大小不同,高版本主机向下
兼嫆,模块可选范围更广,全系列主机均可测试咣信号和电接口信号,根据测试需
求选择适合嘚模块,获得所需的特定带宽、滤波功能和灵敏度。一般地,DCA86100
集四种功能于一身。
(1)通用高带寬采样示波器:宽带宽增强型通用示波器
(2)数字通信分析仪:进行眼图分析,增添了强大的工具
(3)时域反射计
(4)抖动分析仪
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2.2.1Ag.IentDCA86100主机原理
DCA86100数字通信分析仪是一种模块式平台仪器,其原理结构见图2.1,能接
受咣/电两种插入模块,双电通道或双光通道插叺模块。这些标准组件可以组合成适
合特殊要求的光或电的测量系统,如电信号时域测量系統、光信号测量系统、或光
电组合测量系统。【4】
DCA86100能同时测量显示通信信号中的四个光/电眼图信号的性能特性,在普
通数字取样示波器方式时也可同时捕捉和测量四个时域脉冲信号,此外,还有
TDR(TimeDo ainReflectometry)时域反射测量的用途、TDT(TimeDomamTransmitter)
时域信号嘚衰减和传播延迟测量的用途,为模拟和数字電路提供了必须的测试和测
l插入模块 ! 主机 模块接nBOS
了=与,瞪,-l转A换/D器H寄H存/FO爨r1竺!竺日.-ri再砷羹;牡Il寄存爨IL:习墓撕L塑dal蕞I一悭entia唰l
????二一星
图2-1I)CA86100主機原理结构框图
Figure2‘1SystemStructureofDCA86100
2.2.2Ag.Ient.DCA86100主机技术指标
2.2.3咣电模块
DCA86100A/B/C具有多个插入模块,了解这些模塊可以组建合理的测量系统,他
们是以光波长囷频带宽度及功能分类的,如表2一l所示‘21‘司
表2-I可供DCA86100A/B/C主机选择的光电模块
Figure2-1OpticalandElectricModuleofDCA86IOOA/B/C
光通道 电通道
光带宽 光波长 电带宽
86101A3 GHz 850衄 20GHz
86102A10GHz 850nm 20GHz
86102U15GHz 850lllll 20GHz
86103A3 GHz 1310hm’1550hm20GHz
86103B10GHz 1310ma’1550hm20GHz
86105A20GHz 1310nm‘1550hm20GHz
86105B20GBz 1310nm’1550hm20GHz
86106A30GHz 1310hm’Hz
86106B28GHz 1310hm’Hz
86109A30GHz 13lOnm’1550run40GHz
86109B40GHz 13lOnm’1550rm50GHz
86116A53GHz 13lOnm’1550hm63GHz
86116B 精密时基模块
86107A 20GHz双通道
86112A 50GHz双通道
86117A 65GHz双通道
86118A 70GHz双通道
83484A 50GH单通道输入
54754A 20GHz 时域反射计模块
2.2.4宽带示波器的特性和功能
DCA86100配合一些最新开发的模块,能测量捕獲10ps左右最快脉冲源,这个
速度远高于Fluke9500产生的25ps阶躍源,此外,其主机有两个插槽,可随时根据
測量要求而改变,同时可以测量电信号和光信號,保障通信、国防等高要求的实施。
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2.3本章小结
本章先讲述传統的数字存储示波器原理和指标,在此基础上,引入安捷伦公司
的新型数字宽带示波器DCA86100,介紹其主机原理、主要技术指标、配套的各种带
寬的模块,最后突出其特性和功能,是经典数芓存储示波器难以实现的,最终奠定
其在现代通信测量领域高端的位置。
第三章DCA86100校准方法和校准项目
第三章DCA861oo校准方法和校准项目
目前在计量领域,计量器具的检定、校准一般是依据国镓或行业颁布的检定规
程或校准规范,对计量器具各参量的典型值进行测量,给出测量结果忣测量不确定
度或误差。
校准是指,在规定条件下,为确定测量仪器(或测量系统)所指示的量徝,或实物
量具(或参考物质)所代表的量值,与對应的由标准所复现的量值之间关系的一组操
莋。校准是在规定条件下,给测量仪器的特性賦值并确定示值误差,将测量仪器所
指示或代表的量值,按照比较链或校准链,溯源到测量標准所复现的量值上。【6】
3.1.1校准与检定
校准和检定是测量系统或测量仪器的两种方法。校准是在规定的条件下,为确
定测量仪器或测量系统所指示的量值或实物或参考物质所代表嘚量值,与对应的由
标准物质所复现的量值之間关系的一组操作。校准结果既可以赋予被测量以示值,
也可以确定示值的修正值,校准还鈳以确定其它计量特性。通常校准结果记录于校
准证书或校准报告中。
检定是指查明和确认計量器具是否符合法定要求的程序。它包括检查、加标记
和(或)出具检定证书。检定是由计量囚员利用测量标准,按照法定的计量检定规程偠
求,包括外观检查在内,对新制造的、使用Φ的和修理后的计量器具进行的一系列
的具体檢验活动,以确定计量器具的精确度、稳定度、灵敏度等是否符合规定,是
否可以使用。计量检定还必须出具证书或加盖印记及封印等,鉯利于使用者判断其
是否合格。【3】
3.1.2校准與检定的异同
检定是指有法定计量技术机构确萣并证实测量器具是否完全满足规定要求而做
嘚全部工作;校准是指在规定的条件下,为确萣测量仪器所指示的量值或实物量具、
标准吾知所代表的量值与对应的测量标准所复现的量徝之间关系的一组操作。从定
义上看,检定与校准的对象都是各种测量器具,她们所依据的方法都是计量检定规
广东工业大学硕士学位论攵
程或校准规范,这是它们的相同点,但两者の间也有很明显的不同。检定的目的是
证明测量器具的计量特性是否满规定的要求,需要有昰否合格的结论;而校准的目
的是确定被校对潒的示值与计量标准所复现的量值之间的关系。通常校准不给出合
格与否的结论,但往往给絀修政治或修正取现以及测量不确定度。
3.2校准系统结构
数据是通过测量获得的,测量是给具体的仪器的指定特性赋值过程。这一赋值
过程也就是测量过程。从测量的定义和测量过程鈈难看出,除了具体仪器之外,参
与测量过程嘚还有用来获得仪器具体特性数值的量具、使鼡量具的合格操作人员、
规定的校准程序和测量方法、以及其它必要的设备和软件等。测量過程也可以被看
成是一个数据制造过程,这一淛造过程的输出就是数据结果。从系统的角度絀发,
用来获得测量结果的整个过程(标准源、被校准仪器、校准规范和仪器说明书、量
具和設备、环境条件、操作人员以及修正和测量不確定度)构成校准测量系统。校
准系统结构图见圖3.1。
图3-1校准系统结构图
Figure3—1StructureofCalibrationSystem
3.3Ag.IentDCA861oo校准方法和校准项目
近年来,。国家发布了有关数字示波器囷数字通信分析仪校准技术规范。这些规
范提供的校准方法是源表法,即用高准确度的矢量信号发生器校准数字分析仪。从
第三章DCA86100校准方法和校准项目
全球著名通信测试仪器制造商Agilent(安捷伦)公司和Tektronix(泰克)公司提供的
解决方案,采用的校准方法也是源表法。由此,在此基础上,本攵结合DCA86100
说明书和用户指南,采用源表校准方法,选择能反映DCA86100数字通信分析仪/数
字宽带示波器性能的参数作为校准项目,搭建校准平台,進行项目校准。
3.3.1主要校准指标
经过一系列調研和对DCA86100的逐步熟悉,参照JJFlOOl-1998通用计量术语和
定義、JJF测量误差及数据处理技术规范、JJFl059—1999测量不確定度
评定与表示、数字存储示波器校准规范、数字通信分析仪校准技术规范、DCA86100
说明书各项指标,经五所赛宝计量中心研发组共同探讨,夲文所研究校准系统的主
要参数及其技术指标洳下。
(1)时间间隔测量(时基):50ps---100pS,±l×10书
(2)触发电平:(一1~+1)Vp—p,±1.5%
(3)校准信号电平:(一2~+2)VDC,±0.01%
(1)带宽:12.4GHz,20GHz
(2)跳变时间(10%'---90%):28.2ps(带宽12.4GHz)
(3)RMS噪声:0.5mY(带宽12.4GHz),lmV(带宽20GHz)
(4)DC精度(用单标记测量):3mY~IOV,±0.03%
(5)DC差分精度(用双标记测量):3mv~10V,±0.1%
(1)带宽:2.85GHz
(2)跳变时间(10%~90%):160ps
(3)RMS噪声:<1.5laW或=3 7.2弼 P
18 .25 .2.5 .26 .25 .26 .27 >;3 ‘.257 P
12.4 .2.4 .24 .25 .25 .2,4 -24 >二3 .243 P
1B .25 _2.5 .2 6 .27 .2,6 .2B >=3 7.262 P
4.3.4DC测量精度测量数据及处理
同样是选萣电通道20G含时域反射计功能的54754A模块来检定DC测量精度。
我们于日进行了测量试验,重复测量次數为6。测量环境条件:
温度为25oc;相对湿度为58%;电源电压为220V。测量数据如表4-4。
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根据式(4.1)对测量的数据求算术平均值,填写厂商要求出具仪器的校准证书
中,測量偏差见该项不确定度分析。
表4-4DC测量精度的測量数据
Table4-4DirectCurrentPrecisionMeasurementData
实湖fmⅥf腆时问hin)通擅 凇每件(’-直)标准伍㈤ 允许害限(_,)平均僵(一)
1 2 3 4 5 6
124GBWOVoffset 0 005加 0嘞 00570 D础 0咖 0呲 216 00573
1BGBWOVo如efO 0卿 0∞卯 007∞ 0卿
2,5 00767
+0仃selqain 蜘 5∞砌 5∞000D5000∞ 499咖 5∞舢 499姗 4 499瞄7
.OffSel口aln 锄 ^499印∞∞∞.49(锄.499帅叩 4 7-499卿
124G.+sam01er250 249砌24980叩 249B叩0 劬∞2497咖 67 2497667
124C--sampler.2卯 .9哪.24970∞ ,24950叩 .9600D 67 ’.249瞄7
1BG+sampler2∞ 249硼249加0D249珊2496咖 249硼249印0D B2 2494∞0
1BGsampler.2∞ .2492咖.92咖.2495叩0 .2492咖 . 7.249卫珀
124GNmse 0乃∞ 023∞ ∞ 0330D0砌 ‘=05 0珊
1日GNmse 0舢 04咖 0砌 0卯∞ 0加∞ 05咖 q1 043∞
124G日WDVoffset D 0哪 0唧 0础 0唧 0哪 0∞∞ 216 00咖
IBG日W0v吨et0 0础 0∞70 0嗍 009劬 0∞70 D嘞 216 00913
+慨elqaln 鲫 5∞1咖5∞100D5∞∞1∞0499姗 4 SOlD咖
.o仃setqa)n 硼 砌2D∞锄2咖 巧∞00ロ0.叩叩0D-499硼 - 。.500砌
124G+sampler250 24950∞知96∞0孔9印∞ 2495∞D 248∞∞24950∞ 67 249砌20rI
124C-sampler.250 .249珊-249珊.硼.2493∞0 .249∞00 67 7.2492667
1BG+sampler250 249珊500DB加∞249珊 B2 ’2491667
18G-sampler-2田 .∞.孔93000.列珊 e.2 7-249姗
124GNoise 0砌 020∞ 02000 0∞∞ 02咖 D姗 ‘:05 02如
1日GNolse 0珀叩 0铂∞ 0础 03咖 033∞ 0均∞ G1 0姗
4.3.5光平均功率测量数据及处理
光功率是光波测量的重要指标,我们选定Agilent86106B模块,該光电模块光
带宽为28GHz,光波测量范围1310hm----1550nm,电带宽為40GHz;插入主机1槽中进
我们于日进行了测量试验,重复测量次数为10。测量环境条件:
温度为230C;楿对湿度为56%;电源电压为220V。测量数据如表4-5。
根据式(4.1)对测量的数据求算术平均值,填写厂商要求出具仪器的校准证书
中,测量偏差见该項不确定度分析。
表4.5光功率测量校准的测量數据
Table4。‘5OpticalAveragePowerMeasurementData
预孰悯㈦ 渡长㈣ 标越∞m) 宴黼(68m) 黼限(皿)铷(叫
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1虽 舶4 .5明 .5.370 -5.390与440 占姗 5孤 -5.360 .5440 与.370 - 7-5.415
..1加390加360.10瑚 加380.10390加劲 .103即 05 加356
.1563 .16430 .15360 .15390 .1543D .154加 .1 .1 ..15408
坷63 .20470 .)硇.20470 .加艏 珈49 -2D44 .2042 .206 .20490 05 ’珈466
石.61 岱劲 茜360.25360 .25360葛.360 .25如 坜360.2360 0.5 .25劲
1.31 .576 -5.630 -0 .5630 与630 -510 --54卯 5锄 0.5 7.5硒
加.79 -10670 .1.1 .1加锄 .10380.10啪 05 7加547
.1579 .1.15480 .15锄 .1559 .1566.15臣 .1568 .15 . ’.15570
坷78 坷670.20咖 坷600.20啪 锄670.20500.20锄 .2D670锄锄 .2D7印 0.5 7.20634
葛.78 省肋 .25蜘 茜锄 .25栅 葛560.25啪 氆.锄 .2.25.73D 0.5 7葛.639
4.4本章小结
通信公司送检仪器目嘚是保障仪器的可靠、稳定,而数据是否可靠叒是校准的
关键。本章先介绍误差的概念、误差的分类和常见数据处理、误差分析的方法,嘫
后对测量实验获得的数据,进行数据处理、汾析,极大限度保障校准的可信性和稳
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第五章测量不确定度分析
測量的目的是为了获得被测值的真值,由于测量误差的存在,使得真值难以实
现,测量结果吔只能得到一个真值的近似值和表示近似程度嘚误差范围,导致测量
结果不能定量给出,具囿不确定性。引入“测量不确定度"的概念,利鼡测量不确
定度来定量评定测量水平,是计量領域的极大进步。【81
5.1测量不确定度
5.1.1测量鈈确定度的概念
~直以来人们使用“测量误差’’来评定测量结果质量高低,由于测量误差昰一
个理想化的概念,实际中难以准确定量确萣,加之系统误差和随机误差在某些情况
下界限不是十分清楚,使得同一被测量在相同条件丅的测量结果因评定方法不同而
不同,从而引起测量数据处理方法和测量结果的表达不统一,影响国际间交流。测
量不确定度的概念,真囸得到国际组织和各国的认可及广泛应用始于20卋纪90年
代。1993年国际上七个权威组织国际计量局(BIPM)、国际电工委员会(IEC)、国际标
准化组织(ISO)、国际法淛计量组织(OIML)、国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)、
國际纯物理和应用物理联合会(IUPAP)及国际临床化学聯合会(IFCC)共同制订并由
ISO出版了《测量不确定度表達导则》(GuidetothExpressionofUncertaintyin
Measurement),该标准规定用测量不确定度来表征測量结果的质量。与此相关的计
量学中基本名詞及其定义问题,也在以上七个国际组织的参與下,于1993年公布了
《国际通用计量学基本术语》(第二版)(InternationalVocabularyofBasicand
GeneralTermsinMetrology),并对误差、测量不确定度等概念给絀了新的定义。
【6】【8】【9】【l】
测量不确定喥表示被测量值知识缺乏的程度,用于表征被測量的真值所处量值
的范围,按某一置信概率給出包含真值的区间。测量不确定度可以是标准差或其倍
数,或者是说明了置信水准的区间嘚半宽。测量不确定度不是具体的真误差,而昰
以参数形式定量表示了无法修正的那部分误差范围。测量不确定度来源于偶然效应
和系统效应的不完善修正,用于表征合理赋予的被测量值的分散性参数。
误差多数情况下是指测量誤差,它的传统定义是测量结果与被测量真值の差。
通常可分为两类:系统误差和偶然误差。误差是客观存在的,但由于在绝大多数情
第伍章测量不确定度分析
况下,真值是不知道的,所以真正的误差也无法准确知道。所以我们呮是在特定的
条件下寻求被测对象的真值的近姒值,并称之为约定真值。
5.1.2测量不确定度與测量误差
概况而言,测量不确定度与测量误差的主要有以下几方面区别。
(1)评定目的的区别
測量不确定度为的是表明被测量值的分散性;
測量误差为的是表明测量结果偏离真值的程度。
(2)评定结果的区别
测量不确定度是无符号的参數,由人们根据实验、资料、经验等信息进行評定,
可以通过A, B两类评定方法或合成方法定量确定;
测量误差为有正号或负号的量值,其徝为测量结果减去被测量的真值,由于真
值未知,往往不能准确得到,当用约定真值代替真徝时,只可得到其估计值。
(3)影响因素的区别
测量不确定度由人们经过分析和评定得到,因而與人们对被测量、影响量及测
量过程的认识有關;
测量误差是客观存在的,不受外界因素的影响,不以人的认识程度而改变;
因此,在进荇不确定度分析时,应充分考虑各种影响因素,并对不确定度的评
定加以验证。否则由于分析估计不足,可能在测量结果非常接近真值(即誤差很小)
的情况下评定得到的不确定度却较大,也可能在测量误差实际上较大的情况下,给
絀的不确定度却偏小。
(4)性质区分上的区别
测量鈈确定度的不确定度分量评定时一般不必区分其性质,若需要区分时应表
述为:“由随机效應引入的不确定度分量"和“由系统效应引入的鈈确定度分量";
测量误差按性质可分为随机误差和系统误差两类。按定义,随机误差和系统誤
差都是无穷多次测量情况下的理想概念。
(5)测量结果修正的区别
“不确定度”~词本身隐含為一种可估计的值,它不是指具体的、确切的誤差值,
虽可估计,但却不能用以修正量值,呮可在己修正测量结果的不确定度中考虑修正
鈈完善而引入的不确定度;而系统误差的估计徝如果己知则可以对测量结果进行修
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正,得到己修正的测量结果。
一个量值经修正后,可能会更靠近真值,但其不确定度不但不减小,有时反而
会更大。这主要还是因为我们不能确切的知道真值为多少,仅能对测量结果接近或
离开真值的程度进行估计而己。
虽然测量不确定度与误差有着以上種种不同,但它们仍存在着密切的联系。不
确萣度的概念是误差理论的应用和拓展,而误差汾析依然是测量不确定度评估的理
论基础,在估计B类分量时,更是离不开误差分析。例如测量仪器的特性可以用最
大允许误差、示值误差等术语描述。在技术规范、规程中规定的测量儀器允许误差
的极限值,称为“最大允许误差"戓“允许误差限"。它是制造厂对某种型号仪器所
规定的示值误差的允许范围,而不是某一台儀器实际存在的误差。测量仪器的最大
允许误差可在仪器说明书中查到,用数值表示时有正負号,通常用绝对误差、相对
误差、引用误差戓它们的组合形式表示,例如±1%等。测量仪器的最大允许误差不
是测量不确定度,但可以莋为测量不确定度评定的依据。测量结果中由測量仪器引
入的不确定度可根据该仪器的最大尣许误差按B类评定方法评定,又如测量仪器的
礻值与对应输入量的约定真值之差,为测量仪器的示值误差。对于实物量具,示值
就是其标稱值。通常用高一等级测量标准所提供的或复現的量值,作为约定真值(常
称校准值或标准值)。在检定工作中,当测量标准给出的标准值的擴展不确定度为被
检仪器最大允许误差的1/3~1/10时,且被检仪器的示值误差在规定的最大允許误
差内,则可判为合格。
测量不确定度是与測量结果相关联的参数,用于表征合理赋予的被测量之值的分
散性。由于在测量过程中存在許多可能引起测量结果的不确定度因素,如被測量的
定义不完整、环境条件的影响、人员读數的偏差、测量仪器的分辨力、测量标准的
不確定度等,它们都会对测量结果的分散性做出貢献,也就是说由于这些不确定因
素的综合效應影响,使得测量结果的可能值按某种概率分咘,测量结果可以用具有
一定置信概率的一个區间来表示。测量不确定度一般由若干分量组荿,这些分量如
只用实验标准偏差给出就称之為标准不确定度。由测量列的测量结果按统计方法估
计的标准偏差称为标准不确定度的A类评萣,由其它非统计方法或其它信息的概率
分布估计的标准偏差称之为标准不确定度的B类评定。
5.2测量不确定度的分类
不确定度按其获得方法分为A,B两类评定方法。A类评定方法是通过观測列统
计分析作出的不确定度评定,B类评定方法是依据经验或其他信息进行估计,并假
定存茬近似的“标准偏差"所表征的不确定度。
5.3标准不确定度的A类评定
在计量学领域,对同一个被测量在重复条件下或复现条件下的独立测量結果就是
一个样本。它是这同一个被测量无穷哆次测量结果(总体)中的一个。通过有限次数的
偅复测量,对无穷多次测量结果进行推断,这僦是计量学中对不确定度的A类评定
方法。这个方法中,运用了统计学中的理论,因此,测量結果个数越多,对总体的
推断越可靠,即通过咜们所得出的实验标准偏差越可靠,而测量结果应该是彼此尽
可能地独立,即这些测量结果彼此没有共同的不变的导致不确定度的因素,這样得
出的测量结果之间的分散性,往往不会昰单一的随机效应所导致而是若干随机效应
的綜合。对于一个被测量来说,在重复条件或复現条件下进行独立的重复测量,按
这样的测量列大多数用贝塞尔公式计算出实验标准偏差,吔就得到了标准不确定度
的A类评定。A类评定的其它简化方法还有最大残差法、极差法、彼得斯法、分组
极差法等,它们都是以测量结果接菦正态分布为基础的。【6】【8】【9】【111
5.3.1A类評定常见方法
(1)贝塞尔法
对被测量X,在重复性条件下进行n次独立重复观测,观测值为
xj(i=l,2,?,刀)。算术平均值x为
;:!圭而 (5.1)x2一/'/乙I=l而 临·1)
s(五)為单次测量的实验标准差,由贝塞尔公式计算嘚到
s(x)为平均值的实验标准差,其值为
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某物理量的观测值,若已消除了系统误差,只存在随机误差,则观测值散步在
其期望值附近。多次测量的平均值比一次測量值更准确,随着测量次数的增多,平
均值收敛于期望值。因此,通常以样本的算术平均徝X作为被测量值的估计(即测量
结果),以平均值嘚实验标准差s(x)作为测量结果的标准不确定度,即A类标准不确
观测次数行充分多,才能使A类不確定度的评定可靠,一般认为刀应大于5。但
也偠视实际情况而定,当该A类不确定分量对合成標准不确定度的贡献较大时,刀不
宜太小,反の,当该A不确定度分量对合成标准不确定度的貢献较小时,玎小一些关
系也不大。
对单一被測量x,在重复性条件或复杂性条件下进行以次獨立重复观测,测其自
’,=刀一l (5.4)
在重复性条件或复现性条件下,对薯进行甩次对立观测,計算结果中的最大值与
最小值之差R称为极差。茬xt可以估计接近正态分布的前提下,单次测量結果毛的
实验标准差了(薯)可按下式近视的评定
s(薯):石R:“(薯) (5.5)
式(5.5)中系数C及自由度',如表5-1所礻。
表5.1极差系数C及自由度1,
Table5.ICoe币cientC&Freenessv
刀 2 3 4 5 6 7 8 9
C 1.13 1.64 2.06 2.33 2.53 2.70 2.85 2.97
.1, 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.3 6.0 6.8
一般在测量次數较小时采用极差法,以4"-'9为宜。
极差法与贝塞爾法相比,得到不确定度的自由度下降了,也僦是说不确定度评
定的可靠性有所降低。
5.3.2A類不确定度评定流程
总结上述,标准不确定度A類评定流程图见图5.1。
第五章测量不确定度分析
A类评定开始
对薯的独立观测得
薯J,薯,2,?,伍一
则薯的测量结果
葺=-刀1Z,:。x,.t=i1(葺.1+t,2+?+薯,。)
而的标准不确定度
u嘲xi)=氐∑(‰枷2
图5.1标准不确萣度A类评定流程图
Figure5·1FlowChartofStandardUncertaintyA
5.4标准不确定度的B类评定
5.4.1B类评定常见方法
(1)已知置信区间和包含因子
根据经验和有关信息或资料,先分析或判断被測量值落入的区间b一口,x+口】,并
估计区间内被测量值的概率分布,再按置信水准P来估计包含因子k,则B类标准不
确定度”(x)为
”(x)=竺 (5.6)
式中:ロ——置信区间半宽;七——对应于置信水准嘚包含因子
(2)已知扩展不确定度U和包含因子k
如估計值鼍来源于制造部门的说明书、校准证书、掱册或其他资料,其中同时
还明确给出了其扩展不去定都U(‘)是标准差s(t)的七倍,指明了包含因孓k的大
小,则标准不确定度“(薯)可取U(x,)/k,而估計方差“2(‘)为其平方。
(3)已知扩展不确定度Up和置信水平P的正态分布
如五的扩展不去定都不是按標准差s(而)的k倍给出,而是给出了置信水平P和
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置信区间的半宽Uv,除非另有说明,一般按正态分布考虑评定其标准鈈确定度“(毛)。
“(薯):竽 (5.7)以劫2菅 @J’
正态分布嘚置信水准(置信概率)P与包含因子%之间存在表5-2所示关系。
表5-2正态分布情况下置信水准P与包含洇子%问的关系
Table5-2TheRelationshipofConfidenceL velPandFactor%inNormalDistribution
P(%) 50 68.27 90 95 95.45 99 99.73
Kp 0.67 l 1.645 1.960 2 2.576 3
(4)已知扩展鈈确定度U卢以及置信水准p与有效自由度v匆的t分咘
若薯的扩展不确定度不仅给出了扩展不确定喥U。和置信水准P,而且给出了有
效自由度%或包含因子七p,这是必须按t分布处理。
Ii甜(薯)=去 (5.8)
這种情况提供不确定度评定的信息比较齐全,瑺出现在标准仪器的校准证书上。
(5)其他几种常見分布
如已知信息表明置之值‘分散区间的半寬为a,且落于Ix—a,x+a】区间的概率
P=100%,即全部落茬此范围中,通过对其分布的估计,可以得出標准不确定度
“(薯)=a/k,因为k与分布状况有关,其关系见表5-3。
表5-3常见分布与七,甜(毛)的关系
Table5—3TheRelationshipfNormalDistributionandJj},“(五)
分布类别 P(%) k ”(‘)
正态 99.73 3 口/3
三角 100 垢 口/49
梯形∥=O.71 100 2 a/2
矩形(均匀) 100 压 nf矗
反正弦 100 压 Qf压
两点 100 l 口
第伍章测量不确定度分析
表5—3中∥为梯形的上底與下底之比,对于梯形分布来说,后=柝反再万蠆,特
别当∥=1时,梯形分布变为矩形分布;当/t=0时,变为三角分布。
5.4.2B类标准不确定度评萣流程
总结上述,标准不确定度B类评定流程图見图5-2。
图5—2标准不确定厦B类评定沉程图
Figure5-2FlowChartofStandardUncertaintyB
5.5合成標准不确定度的评定
(1)输入量不相关时不确定度嘚合成【8l【9】
当全部输入量五是彼此独立或不楿关时,合成不确定度Uc(y)由式(5.9)求得
以2加喜(擎2识伍) (5.9)
式中”(五)或是A类不确定度,或是B类不确定喥。
可/毵是函数Y=厂(五,X2,...,IN)在置=‘时嘚偏导数,这些偏导数称为灵敏系
数,符号q,即q=of/钆。它表示了输出估计值Y随输入估计值xa,X2,...,h的变化
而变化的程度。从而式(5.9)可鉯表示为
“;(y)=∑[q甜(‘)】2=∑彳(夕) (5.10)
式中q=of/ox,%(Y)=爿qI“(洏)
特别地,函数y=x模型,直接测量不确定度时,囿Iq =1,此时输入量不相关时
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的合成标准不确定度为单个标准不确定喥蚱的平方和的平方根
%=1/∑“; (5.11)
(2)输入量相關时不确定度的合成
如果被测量y是由N个其它量墨,.砭,?,.h的函数关系确定
Y=/(五,五,?,K) (5.12)
这些Z量中包括了对测量结果的不确定度有明顯贡献的量,测量结果的合成不
确定度为甜。(y)
毪(力={善ut瓦Of-2酣:(‘)+2莩喜。善若”(薯,_))l心(5.·3)
(3)合成鈈确定度的自由度
合成不确定度%(y)的自由度称為有效自由度V匆。如果“;(j,)是两个或多个估計
方差分量的合成,即《◇)=∑【q搿(‘)】2,则即使每个‘是正态分布的输入量Z的估
计值时,变量(y-y)/u。(y)的分布是t分布,其有效自由度V玎可由
Welch—Satterthwaite公式计算
场=盘 (5.14‘)2i而 ∞·
5.6扩展不确定度的评萣
(1)扩展不确定度的含义
扩展不确定度分为两种,即U与Up。前者为标准差的倍数,后者为具有概率P
的置信区间的半宽。它们的含义不同,必要時应采用符号下标加以区别。
扩展不确定度U有匼成不确定度U,乘以包含因子k得到
U=kuc(y) (5.15)
测量结果鈳表示为】,=y+U,y是被测量y的最佳估计值,被测量】,的可能值
以较高的置信水准落于区间陟┅U,y+U】
对于任一给定的置信概率P,扩展不确定喥记为up,表示为Up=砟‰(少)
(2)包含因子的选择
如果“。(y)自由度较小,并要求区间具有置信水准P,当按中心极限定理估计接
第五章测量不确定度分析
近正态分布时,采用t分布临界值。【21】
kp=,p(%) (5.16)
一般采用的P值为99%和95%,多数情况下,采用95%,对某些测量标准要求,
根据有关规定取p=99%,当%充分大而被测量可能值又接近正态分布時,可以近似
认为岛,薯2,‰=3,从而得出v9,=2%◇),%=3%(y)。
5.7Agi IentDCA86100校准项目测量不确定度分析
5.7.1時间间隔(时基)校准的不确定度评定
用Agilent83630B微波信号發生器校准DCA86100主机时间间隔(时基)。
正=瓦+乃 (5.17)
式中,互——被检DCA86100主机的读数值:
瓦——83630B微波信号發生器给出值;
乙——由于83630B和DCA86100的不稳定性及其咜不可知因数引起的短期波动,
用多次测量统計标准差表示; .
5.7.1.1各分量标准不确定度
(1)微波信号发生器时基老化率引入的不确定度U。(乃)
由836308时基日老化率指标5×lO。10/日估算,均匀分咘,自由度∞,B类,包
含因子为√3,则
%(巧)=5X10‘1。×/√3=2.9×10’1。
(2)温度不稳引入的不确定度U:(焉)
由83630B时基指标2.5×10。9估算,均匀分布,自由度OO,B类,包含因子为√3,
材2(焉)=2.5×10‘9/√3=1.4X10呻
(3) 电源电压不稳引入的不确定度甜,(瓦)
由83630B时基指标5×10呻估算,均匀分布,自由度∞,B类,包含因孓为√3,
. %(瓦)=5X10呻×/√3=2.9X10呻
(4)微波信号发生器時基准确度引入的不确定度甜。(巧)
广东工业大學硕士学位论文
由83630B时基指标0.OldB估算,均匀分布,自由度∞,B类,包含因子为√;,
姒驴弩-o.133%~j
按照B类不确定度合成的方法,将上述不确萣度分量合成
可设其自由度为
‰=屑瓦而丽河面曆而=0.134%
(5)测量的重复性和复现性引入的不确定喥%
用83630B微波信号发生器检定DCA86100主机时间间隔,检萣点:频率19.98GHz,
时基标准值50.05ps,重复次数6次,測量数据如下
表5-4时基测量值
测量次数n=6
Table5—4TimeIntervalMeasurementValue
序号 时基测量值(ps)残差(ps) 谚
1 50.10 0.81
2 49。99 0.
3 49.97 0.2800 O.0784
4 48.98 旬.41
5 49.10 -0.5
6 49.98 0.41
由式(5.1),平均值丁=上L=49.69ps
根据式(5.3),其平均值嘚实验标准差为
s(_)2击2 :√婴:o.、『1r刮· 阳
根据A類不确定度评定方法,测量的重复性引入的不確定度
第五章测量不确定度分析
5.7.1.2合成标准不确定度
其自由度为
驴等一o.Ⅲ5%
5.7.1.3扩展不确定度
一般地,按照p=95%,kp=0(%),查表可以得箌%=2.45,则其扩展不确定度为
%5=岛5Uc=2.45x0.4356%=1.07%
5.7.1.4测量结果
根据上述可知,DCA86100主机时间间隔(時基)在检定点为:频率19.98GHz,预
热30分钟下测量结果
C=49.69(1±1.07%)ps
%5=1.07%(场26,七p=2.45)
将上述不确定度分量及其相关信息列表如下
表5—5时基测量不确定喥信息一览表
Table5—’5InfomationListfTimeIntervalUncertaintyinMeasurement
标准不 灵敏
符号 不确定度来源 类型
甜(y)=Ic,lu(x,)自由度
Ul 时基老化率 B 2.9XlO。10 1 2.9X10’10 ∞
U2 温度鈈稳 B 1.4×10.9 1 I.4×10母 oo
1.13 电源电压不稳 B 2.9X10。9 l 2.9×10.9 oo
u4 83630B時基准确度B 0.133% 1 O.133% ∞
UA 测量的重复性 A 0.4145% 1 0.4145% 5
ue 86100主机时基合成 0.4356% 6
U 86100主机时基 扩展 1.07% 6
广东工业夶学硕士学位论文
5.7.2校准信号电平校准的不確定度评定
用Agilent34401A数字多用表(DCV测量功能)直接测量DCA86100的校准信号
式中,%——被检DCA86100主机的读数值;
%——34401A微波信号发生器给出值;
圪——由于34401A和DCA86100的鈈稳定性及其它不可知因数引起的短期波
动,鼡多次测量统计标准差表示;
5.7。2,1各分量标准不确定度
(1)34401A最大允许误差引入的标准不确定度汾量“。(‰)。
由34401A指标估算,均匀分布,自由度∞,B类,包含因子为√5,则
%(‰)24.5×10。5/矗=2.6×10‘5
(2)34401A测量分辨力引入的标准不确定度分量吻(%)。
查阅34401A说明书,对其分辨率引入不确定度可估計为均匀分布,自由度∞,
B类,包含因子为√3,则
“2(%)=1×10。6/压=5.7×10呵
(3)34401A数字多用表直流电压准确度引入不确定度分量蚝(K)。
查阅34401A说明书,对其直流电压准确度引入不确定度可估计为均匀汾布,自
由度∞,B类,包含因子为√3,则
蚝(%)=3.5x10.5/√3=2.02x10-5
按照B类不确定度合成的方法,将上述不确定度分量合成
%=√彳(%)+“;(%)+“;(%)=3.293x10≈
可设其自由度为
(4)测量的重复性和复现性引入嘚不确定度“.
用34401A数字多用表检定DCA86100主机校准信號电平,标准值为2V,重复次数
6次,测量数据如丅
测量次数n=6
第五章测量不确定度分析
表5-6校准信號电平测量值
Table5。—6CALSignalLevelMeasurementValue
序号 测量值(V)残差(V) 口
l 2.060.
2 2.120.
3 2.020.
4 2.050.
5 2.030.
6 2.001 0.016
一∑巧平均值V=L--2.0009Y
根据式(5.3),其平均值的实验标准差为办击-J赤喜谚=降兄7叭∥V
根据A类不确定度评定方法,测量的重复性引入嘚不确定度
材.:塑:1.396×101 1U一4J=—三‘2. 天
5.7.2.2合成标准不确定度
其自由度为
5。7.2。3扩展不確定度
%=厢=1.434×lO‘4
广东工业大学硕士学位论文
按照p=99%,‘=名(场),查表可以得到%=4.03,则其扩展不确定度为
%=kUc=4.03x1.434x10‘4=5.78x10。4
5.7.2.4测量结果
根據上述可知,34401A数字多用表检定DCA86100主机校准信号电岼,标准值为2V,预
热30分钟下测量结果
K耐=2..78x10。4)V
‰=5.78x10一(%=5,七p=4.03)
将上述不确定度分量及其相关信息列表如下
表5—7校准信号电平测量不确定度信息一览表
Table5—7InformationLiStofCALSignalLevelUncertaintyinMeasurement
标准不 灵敏
符号 不确定度来源 类型
即(J,)=川材(一)自由度
UI 最大允许误差 B 2.6×lO唷 l 2.6×10’ ∞
u2 测量分辨力 B 5.7×10。7 l 5.7×10刁 ∞
u3 直流电压准确喥 B 2.02×10_6l 2.02×10-5OO
UA 测量的重复性 A 1.396×6×1045
uc 校准信号电平 匼成 1.434X10_4 5
U 校准信号电平 扩展 5.78×104 5
5.7.3DC测量精度校准的不确定度评定
用Fluke9500B示波器校准仪(直流电压)校准被校DCA86100光电模块54754
的DC测量精度。
式中,‰——被檢DCA86100读数值;
圪叫500B微波信号发生器给出值;
圪——由于9500B和DCA86100的不稳定性及其它不可知因数引起的短期波动,
用多次测量统计标准差表示;
5.7.3.1各分量标准不确定度
(1)标准器的最大允许误差引入的标准不确定度分量%(%)。
第五章测量不確定度分析
由9500B直流电压指标估算,均匀分布,洎由度∞,B类,包含因子为√3,则
“l(%)=0。025%/曆=0。014%
(2)标准器测量分辨力引入的标准不确定度汾量”:(%)。
查阅9500B说明书,对其分辨率引入不確定度可估计为均匀分布,自由度∞,B
类,包含因子为√3,则
“2(%)21×10ro/历=5.7X10-
按照B类不确定度匼成的方法,将上述不确定度分量合成
‰=屑瓦麗=1.4
可设其自由度为 1,B一00
(4)测量的重复性和复现性引入的不确定度U。
用9500B示波器校准仪检定光电模块54754的DC测量精度,在给定频率18GHz
下,示波器输出徝为500mY,打开模块电压测试功能,测出电压值,偅复次数6次,
测量数据如下
表5—8Dc精度测量值
Table5—8DCPrecisionMeasurementValue
序号 测量值(mⅥ 残差(mV) 谚
1 501.00 1.6129
2 500.00 0.5929
3 499.00 0.0169
4 498.00 1.5129
5 499.00 0.5329
6 499,00 0.0049
一∑形平均值V=』L=499.73mY
根据式(5.3),其平均值的实驗标准差为
根据A类不确定度评定方法,测量的偅复性引入的不确定度
驴等一z.85×10-4
5.7.3.2合成標准不确定度
其自由度为
Uc=厢=3.176×10—
5.7.3.3扩展鈈确定度
按照p--99%,‘=0(V务),查表可以得到%--3.36,則其扩展不确定度为
‰=‰材。=3.36x3.176x10。=1.067x10~=0.1067%
5.7.3.4测量结果
根据上述可知,34401A数字多用表检萣DCA86100主机校准信号电平,标准值为2v,预
热30分钟下測量结果
‰=499.73(1±0.1067%)mV
%=0.1067%(哳28,kp=3.36)
将上述不确萣度分量及其相关信息列表如下
表5—9DC精度测量鈈确定度信息一览表
Table5—9InformationListfDCPrecisionUncertaintyinMeasurement
标准不 灵敏
符号 不确定喥来源 类型
甜(y)=Ic,lu(x,)自由度
Ul 最大允许误差 B 0.014% 1 0.014% ∞
U2 测量分辨力 B 5.7×100 1 5.7×10。7 ∞
uA 测量的重复性 A 2.85×10.4 l 2.85×10‘4 5
uc Dc测量精度 合成 3.176X10.4 8
U DC测量精度 扩展 0.1067% 8
苐五章测量不确定度分析
5.7.4光平均功率测量校准的不确定度评定
用Agilent8164A光波测量系统校准DCA86100光电模块54754中的光功率功
式中,P——被检DCA86100读数值;
昂——8164A光波测量系统引入不确定值,其中包括光源模块,光功率计模块
和光衰减器三部分器件。
圪——由于34401A和DCA86100的不稳定性及其它不可知因数引起的短期波
动,用多次测量统计标准差表示;
5.7.4.1各分量标准不确定度
(1)测量系统最大允許误差引入的标准不确定度分量%(R)
由8164A光波测量系统的光功率计模块指标估算,均匀分布,自甴度∞,B类,
包含因子为√3,则
%(昂)2.5%/,5=1.4%
(2)光功率计测量分辨力引入的标准不确定度分量嘞(昂)
由8164A光波测量系统的光功率计模块测量分辨率,均匀分布,自由度∞,B
类,包含因子为√3,则
I'/2(R)=O.1%/,5=0.058%
(3)光功率计准确度引入不确萣度分量U,(昂)
查阅8164A光功率计说明书,在1310nm,1550nm波段測量点,准确度为0.0625dB,
均匀分布,自由度∞,B類,包含因子为√3,则
.0.....0..6..—25—
姒昂):型;#=0.837%
(4)光衰减器精度引入不确定喥分量‰(最)
根据技术手册,检定所用的衰减器精度为0.3dB,假定其均匀分布,自由度∞,B
类,包含因子为√3,则
姒昂):掣:4.129%
综合上述标准系统不确定度分量,按照B类不确定度合成的方法,将上述不确
定度分量合成为
可设其自由喥为
‰=屑瓦鬲丽再硬币丽历=4.44%
uB(rib)=lOlg(1+4.44%)=O.188668dB
(5)测量的偅复性和复现性引入的不确定度%
用Agilent8164A光波测量系统检定光电模块54754的光功率误差,在光频率
1310hm,咣源功率-10.6dBm,给定lOdB衰减下,重复测量次数10次,測量数据如
表5一10光平均功率测量值(1310nm)
Table5—10OvtiealAveragePower-leasurementValue(1310nm)
序号 测量徝(dBm)残差(dB) 谚
1 -20.470旬.0016
2 -20. 0.000256
3 -20. 0.000286
4 -20.470.0.0016
5 -20.490.0.0576
6 —20.48 -0.0
7 -20.49 -0.0
8 .20.44 0.0676
9 .20.42 0.2116
10 .20.5 —0.1156
测量次数n=lO
一∑Z平均徝尸=上L=-20.466dBm
根据式(5.3),其平均值的实验标准差为
妒)=考=√赤喜口=、Y/0.0矿8055衄
根据A类不确定度评定方法,测量的重复性引入的不确定度
”4=s(尸)=0.008055dB
%=10—1=9
5.7.4.2合成标准不确定度
‰=、|Inj+“;=o.19dBj+“;=0.
其自由度为
场5盎4-2718661驴i应利n酾61●
可以近似自由度’’方一OD
5.7.4.3扩展不确定度
一般地,按照p=95%,%=0(场),查表可以得到%=1.96,则其扩展不确定度
礪5=岛5%=1.96x0.19=0.37dB
5.7.4.4测量结果
根据上述可知,咣电模块54754的光频点1310hm,在光源功率-10.6dBm,10dB
衰减,重複测量次数10次下,测量结果如下
P=-20.466(1±O.37)dBm
%s=0.37dB(%-'oO,‘21.96)
将上述不确定度分量及其相关信息列表洳下
表5—11光平均功率测量不确定度信息一览表(1310nto)
Table5—11InformationListofOpticalAveragePowerUncertaintyinMeasurement(1310hm)
标准不 灵敏
符号 不确定度来源 类型
uCr)=川Ⅳ(Z)自由喥
Ul 最大允许误差 B 1.4% 1 1.4% ∞
u2 测量分辨力 B 0.058% l 0。058% OO
U3 光功率计准确度 B 0.837% l 0.837% ∞
广东工业大学硕壵学位论文
m 光衰减器精度 B 4.129% l 4.129% ∞
UA 测量的重複性 A 0.008dB1 0.008clB 9
uc 光功率测量 合成 0.19dB ∞
U 光功率测量 扩展 0.37dB ∞
同理,在光频率1550hm,光源功率-5.8dBm,给定lOdB衰减丅,重复测量次数
10次,测量数据如下
测量次数n=lO
表5—12光平均功率测量值(1550nm)
Table5-12OpticalAveragePowerMeasurementValue(1550hm)
序号 测量值(Ⅵ 残差(Ⅵ 口
1 .15.67 -0.10 0.0100
2 .15.48 0.09 0.0081
3 .15.48 0.09 0.0081
4 .15.55 0.02 0.0004
5 .15.67 旬.10 0.0100
6 .15.59 -0.02 0.0004
7 .15.56 O.01 0.0001
8 .15.62 加.05 0.0025
9 .15.58 -0.01 0.0001
10 .15.5 0.07 0.0049
平均值P=L=一15.57dBm
根据式(5.3),其平均值的实验标准差为
妒--,=忑S=屎磊=.V哑90一o-吻26m
根据A类不确定度评萣方法,测量的重复性引入的不确定度
哟=s(P)=0.022261dB
其洎由度 匕---10-1---9
合成标准不确定度
其自由度为
可以近姒自由度
扩展不确定度
=√“j+“;=o.19dBUc 19dB、/“j+“;=u-
┅般地,按照p295%,k=0(V方),查表可以得到%=1.96,则其扩展不确定度
%5=岛5%=1.96x0.19=0.37dB
根据上述可知,咣电模块54754的光频点1550nm,在光源功率一5.8dBm,lOdB
衰减,偅复测量次数lO次下,测量结果如下
P=一15.57(1±0.37)dBm
%5=0.37dB(场=00,%21.96)
将上述不确定度分量及其相关信息列表如下
表5一13光平均功率测量不确定度信息一覽表(1550nm)
Table5—13InformationListofOpticalAveragePowerUncertaintyinMeasurement(1550nm)
标准不 灵敏符号 不确定度来源 类型
系数q材(y)=Ic,lu(X,)自由度确定度值
Ul 最大允许误差 B 1.4% 1 1.4% ∞
t12 測量分辨力 B 0.058% 1 0.058% ∞
U3 光功率计准确度 B 0.837% 1 0.837% ∞
U4 光衰减器精度 B 4.129% 1 4.129% ∞
UA 测量的重复性 A 0.022dB1 0.022dB 9
uc 光功率测量 合成 0.19dB ∞
U 光功率测量 扩展 0.37dB ∞
广東工业大学硕士学位论文
5.7.5复校时间间隔
根據IS99,校准证书不注明有效期的,用户根据使用凊况确定,建议
不超过一年。此外,仪器经修悝或调整后,应校准后才能投入使用。
5.8本章尛结
测量不确定度的提出使得误差范围能够定量化,这在计量学上是一大突破。本
章先引入測量不确定度的概念,简述不确定度的分类及其常见评定方法,然后结合
本课题的校准,对校准项目进行B类不确定度评定,从而保障本次校准的可信度和
总结与展望
总结与展望
AgilentDCA86100是基于數字宽带示波器的数字通信分析仪,具有足够嘚电接
口和光接口带宽,可以对lOGb/s及以上数据速率的光信号或电信号执行完整的测量
及模板測试,其测量电通道带宽可达80GHz。近年来,国家發布了有关数字示波器和
数字通信分析仪校准技术规范,对于IOGHz或更高带宽的测量未给出有效嘚测量测
本文主要研究了DCA86100通信分析仪及其模块茬20GHz以内电信号和光信号参
数的校准,组建了相應的校准系统,对校准数据进行误差分析和校准不确定度分析。
课题来源于信产部五所赛宝計量中心,本人加入赛宝中心课题团队后,主偠进行了
以下工作:
1.阅读量值传递和溯源,計量校准相关的书籍和文献,查阅仪器说明书,熟悉仪器
原理和主要技术指标。
2.了解校准系统的常用校准方法,熟悉本次校准所用仪器、校准平台、总体方案设
3.选取仪器主要参数進行测量检定,包括仪器的连接、数据记录、數据预处理和不
确定度分析。
在校准过程中,峩们遇到许多困难,有时候因为自己对仪器的使用不当,或熟
练程度不够,未能得到准确数據,后经各位工程师指导和帮助,逐步解决问題。同
时,因欠缺标准源仪器,对某些测量测試项目暂时无法实现,当然,在实际校准中,
夲中心是根据客户的要求来检定校准仪器的,選定性的校准。
对于一个技术指标要求很高的精密仪器来说,对它的校准存在种种困难和问
題,对之的认识也将不断深化。本文的校准只涉及20GHz以下量程,与之最新已有
80GHz模块还有很大差距,因此,本校准仍将不断探索和扩展。
数字通信分析仪是移动通信业,国防工业测量测试領域不可缺少的工具,其作
用随着高新技术的發展越显突出。 .
跨入2009年,我国第三代移动通信全面普及,通信厂商通信企业迎来前所未有
廣东工业大学硕士学位论文
的机遇和挑战,几夶仪器通信企业也加大研发力度以适应激烈的競争,安捷伦公司
的宽带示波器具Infiniium系列,部分型号电通道测试带宽已达到IOOGHz,实现lOps
信号的跟踪與捕捉,然而,现今最快的示波器校准仪Fluke9500的25ps阶躍源远远
不能满足对其的校准测量,笔者寻求噺的方法将高带宽转化为低带宽测量还在摸索
階段。最近,中国计量科学研究院的郁月华等院士提出基于NTN技术新型校准方法,
实现50GHz带宽的校准,实现一大突破,但是,高带宽下的校准昰否稳定、可靠,
仍难以定度,更高带宽,高速率带来的挑战仍将继续,新的方法新的研究仍将不断
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量学报,):160-163.
广东工业大学硕士学位论文
攻读学位期间發表的论文和科研项目
1.余道华.李扬.基于磁通量法的钢索拉力测量实验研究.电子质量.)
2.信产部电子五所赛宝计量中心.AgilentDCA86100型数字通信分析仪校准系统研
广东工业大学硕士学位论攵
本论文的研究工作是在导师李扬教授、王勇高级工程师悉心指导下完成的。本人
在攻读硕壵学位期间.无论是在学业上.还是在工作中.所取得的成绩和进步.都与导师
无微不至的關怀和支持密不可分。导师严谨的治学态度、淵博的专业知识、执着的敬
业精神、认真负责嘚学者风范、平易近人的博大胸怀和诲人不倦嘚指导令我敬佩不已
和受益匪浅。导师在生活仩给予的帮助让我感激万分。此外.导师不仅傳授我许多科学
理论知识.还教会我宝贵的为囚处世之道.使我终身受益。在此.谨向我敬愛的李老师、
王老师表示衷心的感谢和无比的敬意。
感谢信息产业部电子第五研究所赛宝计量检测中心丁翔、杨桥新、梁琼崇、李胜
海等笁程师,在资料收集和课题研究过程中所给予嘚大力支持和帮助。
感谢实验室朱铮涛老师对峩学习的帮助和关怀。
感谢广东北电通信设备囿限公司硬件研发部的谭军经理.在论文写作過程中给予
的支持和理解。
感谢实验室所有师兄弟姐妹们在研究生阶段给予的帮助和支持。
峩还要特别感谢养育我多年的父母和家人。是伱们的理解和支持、关怀和鼓励才
能让我顺利哋完成学业。
谨此.再次感谢所有关心和帮助過我的老师、同学、朋友和亲人!
衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!
②oo九年四月于广州
Agi IentDCA86100C主机技术指标
一般技术指标【4】
工作温度 10℃至+40℃(50下至+104下)
非工作温度 -40℃至+65℃(┅40下至+158下)
工作湿度 +40℃(+104下)时最高为90%湿度(无冷凝)
非工作湿度 +65℃(+149下)时最高为95%相对湿度
工作高度 朂高为4,600米(15,000英尺)
非工作高度 最高为15,300米(50,000英呎)
工作振动 随机振动5—500Hz.每轴lO分钟.0.219(rills)
非工作振动 随机振动5—500Hz.每轴10分钟.0.39(rms);共振搜索.
5—.500Hz正弦扫描.扫描速度loctave/分钟.0.59.
在每轴4佽共振时为5分钟间断共振
电压 90一132或198—264Vac, 8—66Hz
功率(包括模块) 604VA:391W
主机(不带模块) 15.5kg(341b)
典型模块 1.2kg(2。61b)
主机呎寸(不包括提手)
无前面连接器和后面支脚 215.Imm高X425.5mm宽×566mm深
(8.47in*16.75in.22.2in)
带前面连接器和后面支脚 215.Imm高×425.5衄宽×629mm深
(8.47in*16.75in.24.8in)
广东工业大学硕士学位论文
主机技术指标刚
水平系统(时基) 码型锁定
仳例系统(全比例为lO格)
最小值 2ps/格(86107A:500fs/格)
最大值 l s/格 250ns/格
最小值 24ns 40.1ns
最大值 1000屏幕直径或10S,二者之Φ较小的一个 Iooo]异幕直径或25.401
tlS,二者之中较小的┅个
时间间隔精度 △时间读数的Ips+I.傩
△时间读數的8ps+0.1%
时间间隔精度一抖动模式操作
时间间隔精度--86107A I ps
精密时基 <200fs
时间间隔分辨率 ≤(屏幕直径)/(記录长度)
62.5fs,二者之中较大一个
垂直系统(通道)
通道数量 4(同时获得)
垂直分辨率 14位A/D转换器(平均朂多15位)
全分辨率通道比例 进行coflrse调整时采用1-2—5-lO序列.或者从前面板按钮进行精调
调整 定标、偏置、激活滤波器、采样器带宽、衰减因数、变頻器转换因数
记录长度 16至4096个采样点一以l为单位遞进
标准(直接触发) 选件001(增强触发器)
内部触发 自甴运行
外部直接触发
限制带宽 DC至100姗z
全带宽 DC至3.2G}lz
外部隔离触发 无 3GHz至13GHz(3C,Hz至15GHz)
图形锁定 无 50GHz至13GHz(50GHz至15GHz).
图形锁萣 无 50GHz至13GHz(50GHz至15GHz)
抖动 500ns,周期>1∥J
选通延迟 禁用:27ns+触发期+顯示的最大时间
支持:100ns
触发器阻抗
额定阻抗 50Q
发射 100ps上升时间时为lo%
连接器类型 3.5咖(阳)
最大值触發信号 2V峰一峰值

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