精密步进衰减器校准 - 白皮书

精密步进衰减器校准

摘要

本文介绍了一款用于精密衰减器校准的自动化并行中频替代系统，该系统已经投入使用 15 年，可显示高精度衰减器的测试结果。校准系统是为了对合成器中的步进衰减器进行校准而设计的。通过分析多年的数据可知，该衰减器具有极高的精度。该系统经过不断的改进，现可对其它几款步进衰减器进行十分精确的校准。所显示的数据帮助用户树立了对系统和衰减器精度的信心。

简介

1978 年，用户要求验证在全新合成器中的衰减器精度。作者尝试使用现有的手动方法进行衰减器校准，但过程非常不乐观。为此，厂商着手开发自动化校准系统。自此以后，自动化校准系统开始投入使用，并在近些年里做出了一些改进，可对许多精度极高的衰减器进行校准。本文介绍了这个系统以及实现高精度的必要考虑因素。市面上已有一份标准化的技术资料，许多衰减器都根据这份技术资料进行测量。本文还提供了来自于 90% 的衰减器的数据图表和直方图。这些数据证明了校准系统的能力，并且表明了精心设计的衰减器能够显示极小的误差。

系统的描述和基本操作

自动化校准系统采用并行中频替代法[1]。这个方法能够获得极高的精度和很宽的动态范围。可编程的比率变压器用作系统标准。该系统覆盖了 0.3 MHz 至 80 MHz 的频率范围，衰减范围是 0 dB 至 100 dB。若与无混频器配置的装置建立连接，系统也可覆盖 1 kHz 频率。图 1 为系统的方框图。系统的操作可与超外差无线电接收机媲美，后者使用 1 kHz 中频且能够精确测量输入信号电平的变化。将两个信号馈送至双平衡混频器，一个信号来自固定电平的本地振荡器，另一个来自射频源（锁相至本地振荡器）。图 2 显示了系统照片。

射频源信号在进入混频器射频输入端之前，先要经过被测衰减器。在信号路径中放入适当的填充物，可最大程度地降低阻抗失配引起的不确定度。在所有频率上，混频器输出应当端接至特性阻抗。可在混频器输出上进行低通滤波，以避免 LO 渗通和多余的混频器产物引起检波器的异常响应。使用简单的“常数 Z”双阶低通滤波器可以完成这两项操作，其中第一阶段 fc 是在 32 MHz，第二阶段是在 32 kHz。图 3 显示了滤波器的细节。

检波器输入经过开关，可选择混频器中频输出或比率变压器输出。比率变压器由稳定的交流电压源在 1 kHz 上驱动，在比率变压器输入上进行远程传感。交流源的负载调节必须足够抵消反映负载（随着变压器比率的变化而）变化时的影响。比率变压器的输出上有一个 100kΩ 至 50Ω 电阻分压器。

下面描述了系统的一般操作。首先，把被测器件（DUT）设置在参考位置上，由检波器读取中频。参考设置通常为零，其它的设置可以调节。其次，把检波器输入切换为比率变压器输出，在定义窗口中调整比率，以获得相同的检波器读数。随后，把被测器件传送为第一个步进（例如 10dB），重复匹配过程，得到第二个比率。衰减是 20 log (比率 2/比率 1)。

请注意：上述步骤会为被测衰减器生成误差数据，误差以零（或其它特定值）设置为参考。若设备中，插入损耗的实际值没有测量。如需测量插入损耗，应当使用无损“直通”连接来设置参考，并且连接和测量测试器件。系统要求是测量对于零设置误差。

其它的系统考虑因素

并行中频系统标配有可编程的比率变压器，在近似 1 kHz 频率上操作。比率变压器作为系统的基础，可以从比率变压器中导出所有的测量。必须根据可追溯标准对其进行定期检查。六位数比率变压器与中频匹配的实际范围由指定分辨率和额定比率所决定。对于 0.001 dB 分辨率，量程为 40 dB 左右。为使系统能够校准 40 dB 以上的被测器件衰减器，有必要使用一个步进（或 40 dB）设置第二个参考电平。通过把被测器件的输入信号电平提高 40 dB，可使检波器电平非常接近另一个 0 dB 参考的电平。请注意：对于 40 dB 至 80 dB 的被测器件范围，检波器和混频器的操作范围与测试 0 dB 至 40 dB 时的范围相同。把第二个参考设置中的误差添加到后续步进的测量误差，把这些误差作为零设置的参考。

如果最低的检波器信号远远高于本底噪声，提供可接受的细微噪声误差，则可测得 20 dB 的被测器件衰减。使用系统参数时，衰减的总范围是 100 dB，不确定度会在 100 dB 附近有所降低。为覆盖 80 dB 至 100 dB 的范围，用于驱动比率变压器的交流校准器向下切换到 20 dB。通常，衰减值较大时，它的不确定度要求不如低衰减值那样严格，与系统性能非常匹配。

在使用参考完成所有的步进测试以后，再次测量参考电平，以确定电平是否改变。参考可重复性作为不确定度预算的一部分，必须处于可接受的范围内。参考电平的变化有多个原因，涉及到了被测器件和系统。其中包括频源的漂移、开关接触的不可靠性（在被测器件或系统中）、连接器的电阻变化、自热效应。步进衰减器始终存在一定程度的接触电阻不可重复性。图 4 把接触电阻变化与衰减变化联系在一起。系统完成表征后，参考变化能够清晰地反映被测器件中的开关接触问题。

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