现代信号发生器通过硬件平台构建、软件系统开发、同步触发控制、多参数自动校准、不确定度实时评定、环境适应性优化及智能化校准策略等关键技术,实现了高频率信号的自动校准,具体实现方式如下:
计量标准设备:采用铷原子频率标准作为频率基准,其频率稳定性优于0.001%,为高频信号的频率校准提供高精度参考;测量接收机支持24位ΔΣ型ADC,动态范围达120dB,可准确捕获1MHz及以上高频信号的微弱幅度变化;频谱分析仪用于相位噪声和谐波失真等参数的校准。
接口与连接:通过GPIB总线实现计算机与计量标准设备、被测信号发生器的互联,确保高速数据传输和低延迟控制。例如,GPIB接口的传输速率可达8MB/s,满足高频校准对实时性的要求。
编程语言与框架:采用Visual Basic 6.0开发软件系统,通过GPIB接口库(如NI-488.2)实现对硬件设备的控制。软件系统分为仪器控制、数据采集、数据处理和输入输出四大模块,支持校准流程的自动化执行。
校准流程自动化:软件系统根据预设的校准参数(如频率范围、功率电平),自动控制信号发生器输出测试信号,并触发测量接收机进行数据采集。例如,在频率准确度校准中,软件通过“7.1 SPCL”命令调节测量接收机的频率显示位数,确保数据精度。
延时子程序优化:在VB6中采用延时子程序(如timedelay),通过实验确定不同校准参数下的最佳延时时间,确保数据稳定读取。例如,在电平校准中,延时子程序可消除信号建立时间的影响,使电平测量误差降低至±0.05dB。
硬件触发功能:在测量接收机代码中插入T1T3(保持/触发)功能,在频谱分析仪代码中插入*WAI(等待上条指令执行完毕)功能,实现数据采集的同步控制。例如,在相位噪声校准中,触发功能可确保频谱分析仪在信号稳定后进行测量,避免动态误差。
频率准确度校准:将铷原子频率标准外接至测量接收机,程序调整被测信号发生器输出频率,通过比较测量接收机与信号发生器的频率读数,自动计算频率偏差并调整校准系数。例如,校准后频率准确度优于±0.01Hz(1GHz频点)。
幅度准确度校准:程序控制测量接收机测量信号发生器各频率点的绝对电平值,通过比较标准电平值与测量值,自动调整信号发生器的幅度校准系数。例如,电平校准范围可达-120dBm至+20dBm,校准后幅度误差优于±0.1dB。
调制参数校准:对于幅度调制(AM)、频率调制(FM)等参数,软件系统通过控制信号发生器输出标准调制信号,并使用测量接收机分析调制特性。例如,AM调制度校准精度可达±0.5%,FM频偏校准精度可达±10Hz。
不确定度模块开发:在软件系统中集成不确定度评定模块,根据校准数据的统计特性(如标准偏差、重复性)和设备误差(如频率标准的不确定度),实时计算校准结果的不确定度。例如,频率校准的不确定度可分解为频率标准不确定度(0.001Hz)、测量接收机不确定度(0.002Hz)和环境因素不确定度(0.001Hz),综合不确定度优于±0.005Hz。
交互式结果输出:在用户界面提供不确定度评定结果的交互接口,支持用户自定义置信概率(如95%或99%)和包含因子(如k=2或k=3),生成符合计量要求的校准报告。
温度补偿技术:内置温度传感器实时监测环境温度变化,通过机器学习模型(如多项式回归)构建温度与校准系数的补偿关系。例如,当温度从25℃变化至40℃时,系统自动调整激励信号电平与积分时间,使Q值测量重复性保持在0.01%以内。
抗干扰滤波设计:采用IIR/FIR数字滤波器组合,在50Hz工频干扰环境下,通过自适应陷波算法将信噪比提升至110dB,确保校准基准的稳定性。例如,在电磁兼容测试中,系统可有效抑制±2kV的静电放电干扰和±10V的射频场干扰。
多层级校准机制:设计三级校准机制,包括每日启动时的全量程短路/开路校准、每8小时的中点校准以及用户自定义触发条件(如温度突变±2℃)的即时校准。例如,在半导体晶圆测试中,当探针台温度波动时,系统可在30秒内完成校准系数更新,确保数千颗芯片的电感参数误差控制在0.1%以内。
批量校准功能:支持201点列表扫描功能,可一次性完成多频率点的参数测绘,大幅提升高频批量测试效率。例如,在射频元件(如高频电感、陶瓷电容)的研制中,系统通过1MHz高频测试与自动校准,可精准捕获元件的频率特性曲线,辅助工程师优化设计。