现代电子技术的快速发展,被测信号的频率范围越来越宽,这就需要更高采样率来获取被测信号波形。近年来基于高速模数转换器(Analog to Digtal Converter,ADC)的实时采样技术取得了长足发展,但依然在许多领域不能满足需求。等效取样技术利用较低的实时采样率实现非常高的等效采样率,能够弥补实时采样技术的不足,在宽带信号测试中有着广泛的应用。例如利用等效取样示波器可对微波信号、光波信号、高速脉冲信号以及时域反射波形等宽带信号进行测试。等效采样包括随机等效采样和顺序等效采样两大类方法,其中随机等效采样能够获取预触发信息,具有更为广泛的应用,长时间以来一直是国内外学者和工程师的研究内容。然而传统的随机等效采样方法在水平扫描速度增加,时间观察窗口变窄的情况下,存在波形重构时间长,且等效采样率难以提升的问题,此外,信号前端调理电路带宽不足也限制了被测信号带宽。这些因素限制了随机等效采样技术在宽带信号测试领域的进一步应用。如何实现更高的等效采样率,对更高宽带的输入信号进行精确的波形重构是本文的主要研究内容。结合攻读博士学位期间参与的国家自然科学基金等相关项目,本文主要从以下方面展开研究:1、根据随机等效采样系统的结构和原理,分析了制约等效采样率提高的两个关键环节:时间间隔测量分辨率和波形重构效率。在分析了多通道并行随机采样模型的基础上,给出了提高等效采样波形重构效率的方法;分析了利用宽带采样保持器提升系统输入带宽的理论依据,并讨论了时钟抖动在随机等效采样中的影响,以及提高重构波形信噪比的数据处理方法。2、宽带信号调理通道的设计与实现。介绍了宽带模拟前端的组成结构,详细分析了基于分离路径原理的阻抗变换电路参数确定方法,针对现有阻抗变换电路的不足,提出了一种基于程控电流源结构的阻抗变换电路,实现了程控校准,提高了带负载的适应能力。讨论了频率响应特性与瞬态响应特性的关系,并在模拟通道硬件频域补偿研究基础上,分别对信号调理单元各个环节进行频率补偿,实现了DC~4GHz的宽带信号调理通道。分析了等效采样波形重构对触发信号的特殊要求,讨论了触发信号频率与波形重构的关系,给出了一种宽带触发通道实现方案。3、低抖动采样时钟电路设计与实现。分析了时钟信号对采样系统的性能影响,结合随机采样系统中高速采样保持器和多通道高速ADC时钟电路的需求,研究了低抖动时钟设计方法。在此基础上,分别研究实现了基于倍频原理的4GHz飞秒级低抖动采样时钟,和基于锁相环原理的2.5GHz飞秒级低抖动采样时钟。测试结果表明基于倍频原理的采样时钟抖动可达21飞秒,而基于锁相环原理的采样时钟,抖动也小于150飞秒。4、基于时间幅度转换(Time-to-Amplitude Converter,TAC)原理的高分辨率时间间隔测量技术研究。高分辨率时间间隔测量技术是波形重构的关键,时间测量分辨率决定了最高等效采样率。分析了TAC电路的噪声模型,指出了低噪声恒流源是影响TAC电路测量精度的关键,推导了影响测量精度的数学公式,并给出了低噪声TAC电路的设计方法。在米勒积分型TAC的研究基础上,针对时间间隔测量速度慢,严重影响波形重构速度的问题,提出了一种基于双恒流源结构的TAC电路,在保证测量精度的情况下,大大提高了测量速度。最后分析了TAC电路受环境温度影响的原因,给出了一种有效的校准方法,实现的时间测量标准差小于1.5皮秒。5、基于多通道并行随机等效采样结构,结合研究的宽带信号调理技术、低抖动采样时钟技术以及高分辨率时间间隔测量技术,设计实现了1TSPS等效采样率,4GHz带宽的随机取样示波器,并给出了测试结果。