數(shù)字示波器水平掃描時(shí)間檢定方法的研究

摘 要：示波器是用量最多、用途最廣的電子測(cè)量?jī)x器，是觀察和測(cè)量電子波形不可缺少的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器逐步代替模擬示波器，應(yīng)用越來越廣泛。針對(duì)數(shù)字示波器與模擬示波器的掃描時(shí)間工作原理不同，探討了幾種檢定數(shù)字示波器水平掃描系數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；水平掃描時(shí)間；計(jì)量檢定

1 前言

示波器作為一種通用測(cè)量?jī)x器，在科研、教學(xué)、生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用。它除了可以用于顯示波形外，還可以用來測(cè)量各種波形參數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，示波器從早期的模擬示波器發(fā)展至現(xiàn)階段功能強(qiáng)大、性能卓越的數(shù)字示波器。數(shù)字示波器除了具有模擬示波器的功能外，還有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，在檢定數(shù)字示波器時(shí)，掃描時(shí)間系數(shù)誤差是必須檢定的項(xiàng)目。由于數(shù)字示波器采用晶振作為其時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度比起模擬示波器有了很大的提高，因此，檢定數(shù)字示波器時(shí)間掃描準(zhǔn)確度已不能照搬模擬示波器的檢定方法。

2 示波器水平掃描工作原理

2.1 模擬示波器掃描時(shí)間工作原理

模擬示波器掃描系統(tǒng)，也稱時(shí)基電路，用來產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間做線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，這個(gè)電壓經(jīng)過x軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上時(shí)，電子束產(chǎn)生水平掃描，這樣屏幕上的水平坐標(biāo)變成時(shí)間坐標(biāo)，y軸輸入的被測(cè)信號(hào)波形就可以在時(shí)間軸上展開。電子束在鋸齒波電壓的控制下，周而復(fù)始地從左到右沿x軸等速移動(dòng)，這個(gè)過程被稱之為\"掃描\"。由于光點(diǎn)在x軸的位置與時(shí)間有關(guān)，所以光點(diǎn)掃描的軌跡也稱為\"時(shí)間基線\"，簡(jiǎn)稱時(shí)基。掃描時(shí)基是指光跡在x方向偏轉(zhuǎn)一格所對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間，其單位是s/div、ms/div或μs/div。

2.2 數(shù)字示波器水平掃描工作原理

當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字示波器時(shí)，在信號(hào)到達(dá)顯示器的偏轉(zhuǎn)電路之前，示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率，由采樣時(shí)鐘控制，一般為每秒20MS/s到200MS/s，然后變換成二進(jìn)制字，貯存在存儲(chǔ)器中。數(shù)字示波器采用內(nèi)置晶振作為時(shí)間基準(zhǔn)，微處理器自動(dòng)計(jì)算出兩掃描點(diǎn)之間的時(shí)間差值，換算出相應(yīng)的掃描時(shí)間并顯示出來。數(shù)字示波器掃描時(shí)間的準(zhǔn)確度主要取決于所采用晶振的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，同時(shí)也與采樣速率以及觸發(fā)抖動(dòng)有關(guān)，晶振的頻率準(zhǔn)確度一般為10-4～10-6量級(jí)。

3 模擬示波器和數(shù)字示波器水平掃描檢定區(qū)別

檢定模擬示波器水平掃描時(shí)間系數(shù)時(shí)，按照模擬示波器檢定規(guī)程來進(jìn)行，由于模擬示波器光點(diǎn)直徑的大小以及人眼分辨率等原因，當(dāng)掃描時(shí)間系數(shù)變化小于0.1%時(shí)，人眼就根本分辨不出差別，所以示波器校準(zhǔn)儀其時(shí)標(biāo)最小變化量為0.1%。示波器校準(zhǔn)儀輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)，使得該時(shí)標(biāo)波形第2個(gè)波峰和第10個(gè)波峰分別與對(duì)應(yīng)10%和90%的被測(cè)示波器熒光屏水平刻度線相重合，此時(shí)讀取示波器校準(zhǔn)儀上所顯示的時(shí)標(biāo)波形誤差，即為被測(cè)模擬示波器掃描時(shí)間系數(shù)該檔級(jí)示值誤差。

由于目前尚沒有數(shù)字示波器的檢定規(guī)程，一般都參照模擬示波器檢定規(guī)程來校準(zhǔn)數(shù)字示波器。由于數(shù)字示波器對(duì)被觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行了幅度和時(shí)間數(shù)字化，并輔以自動(dòng)參數(shù)測(cè)量功能，往往在測(cè)量時(shí)進(jìn)行內(nèi)插數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)一步提高幅度、時(shí)間數(shù)字化分辨力，這樣示波器幅度和時(shí)間技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確度遠(yuǎn)優(yōu)于等帶寬的模擬示波器。如果直接送一個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)給數(shù)字示波器，然后用檢定模擬示波器掃描時(shí)間系數(shù)誤差的檢定方法來檢定數(shù)字示波器的掃描時(shí)間準(zhǔn)確度，這是無法測(cè)量出數(shù)字示波器的掃描時(shí)間準(zhǔn)確度的，因?yàn)橛萌搜壑苯佑^察示波器所能覺察到的最小變化為0.1%，而數(shù)字示波器的掃描時(shí)間準(zhǔn)確度至少為0.02%，0.02%的誤差用人眼根本無法分辯。因此示波器校準(zhǔn)儀顯然已不適合，并且手動(dòng)測(cè)量誤差大，需要尋找新的檢定方法來檢定數(shù)字示波器的水平掃描時(shí)間系數(shù)。

4 數(shù)字示波器水平掃描檢定方法

4.1 采用時(shí)基放大的方法

①當(dāng)數(shù)字示波器無時(shí)間延遲（delay）功能時(shí)

沒有時(shí)間延遲功能的數(shù)字示波器，如果按照模擬示波器的檢定方法來檢定數(shù)字示波器，則每一檔的掃描時(shí)間誤差都是0。但如果采用時(shí)基放大的方法，就可以檢定出誤差了。如檢定1ms/div檔，輸入時(shí)間間隔為1ms的時(shí)標(biāo)，檢定時(shí)采用1μs/div的掃描檔來看，此時(shí)時(shí)間掃描準(zhǔn)確度2×10-4被放大了1000倍，變?yōu)?0%，此時(shí)通過人眼完全可以觀看出誤差了。

檢定方法：首先在1μs掃描檔將第一個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖與示波器的水平刻度中線對(duì)準(zhǔn)，然后調(diào)節(jié)位移使時(shí)標(biāo)向前移動(dòng)，直至第二個(gè)脈沖出現(xiàn)在屏幕上，此時(shí)示波器所測(cè)出的時(shí)間間隔與輸入時(shí)標(biāo)信號(hào)之間的偏差再除以1ms所得值的百分?jǐn)?shù)即為掃描時(shí)間系數(shù)誤差。

②當(dāng)數(shù)字示波器具有時(shí)間延遲（delay）功能時(shí)

當(dāng)數(shù)字示波器具有時(shí)間延遲（delay）功能時(shí)，設(shè)置時(shí)標(biāo)周期為10ms，將掃描時(shí)間系數(shù)設(shè)置為10ms/div。按下數(shù)字示波器的DELAY按鈕來啟動(dòng)延時(shí)功能，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)水平POSITION按鈕來設(shè)置延遲為10毫秒整，然后再將掃描時(shí)間系數(shù)設(shè)置為1μs/div，此時(shí)己經(jīng)將時(shí)基相應(yīng)的放大了10000倍，這樣就能測(cè)出誤差了。

注意此時(shí)設(shè)定的時(shí)基應(yīng)該滿足可以明顯看出誤差的要求，至少應(yīng)該滿足

時(shí)基=觸發(fā)延時(shí)×0.01%。

4.2 直接測(cè)量數(shù)字示波器時(shí)基頻率

如果數(shù)字示波器有時(shí)基信號(hào)輸出口，可以用頻率計(jì)直接測(cè)量該時(shí)基頻率，計(jì)算出其誤差。

4.3 測(cè)量數(shù)字示波器的掃描速度

用檢定合格的時(shí)標(biāo)產(chǎn)生器，采用直接檢定法，按照數(shù)字示波器的標(biāo)稱水平掃描速度s/div，用一個(gè)和標(biāo)稱掃速相同的時(shí)標(biāo)輸入到示波器的垂直通道，使示波器屏幕上每一個(gè)水平格上正好出現(xiàn)一個(gè)時(shí)標(biāo)，檢定示波器的水平掃描速度，是否與標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)信號(hào)相符合。讀出的數(shù)據(jù)算出相對(duì)誤差值，計(jì)算出掃描時(shí)間系數(shù)誤差。

5 結(jié)束語

本文給出了幾種數(shù)字示波器水平掃描時(shí)間的檢定方法，根據(jù)設(shè)備的不同，選用不同的測(cè)量方法，更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的水平掃描時(shí)間系數(shù)的檢定。

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