淺析示波器校準(zhǔn)儀方波信號(hào)的測(cè)量方法

張正嫻

（上海航天808所 201100）

方波是一種非正弦的波形，通常會(huì)用于電子信號(hào)處理。理想方波只有高和低兩個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)1和0兩個(gè)值，占空比是方波值1或者0占一個(gè)周期的時(shí)間比例，真實(shí)理想方波的占空比是50%——即高值和低值占的時(shí)間一樣。在以往的測(cè)量過(guò)程中，由于用數(shù)字多用表的交流電壓測(cè)量功能可以直接測(cè)得被測(cè)方波電壓的有效值，根據(jù)公式（1）則可以換算得到被測(cè)示波器校準(zhǔn)儀輸出的方波峰峰值

但是，由于系統(tǒng)電路的限制，實(shí)際應(yīng)用中不可能產(chǎn)生理想的占空比50%的方波，另外，方波在高低兩個(gè)值之間轉(zhuǎn)換時(shí)，理想方波值的轉(zhuǎn)變應(yīng)是即時(shí)的，但是實(shí)際產(chǎn)生過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)阻尼和欠阻尼現(xiàn)象，也就是通常所說(shuō)的高低電平轉(zhuǎn)換過(guò)程中的波形畸變，如果直接測(cè)量，運(yùn)用理想狀態(tài)下的占空比進(jìn)行換算測(cè)量的話，容易造成較大的測(cè)量誤差，從而使得測(cè)量結(jié)果超差，對(duì)量值的傳遞造成影響。

1 方波測(cè)量方法

1.1 測(cè)量方法

1.1.1 數(shù)字表直讀法

a） 用計(jì)數(shù)器分別測(cè)量出方波信號(hào)脈沖幅度50%處時(shí)間寬度tk和脈沖周期T，按公式（2）計(jì)算校準(zhǔn)電壓的占空比θ

b） 按圖2連接儀器數(shù)字多用表置ACV測(cè)量功能，量程置合適位置，根據(jù)數(shù)字多用表的測(cè)量有效值讀數(shù)及公式（3）計(jì)算方波電壓誤差

圖2 方波電壓測(cè)量

θ —被測(cè)方波實(shí)際占空比

UR—數(shù)字多用表測(cè)量有效值

1.1.2 直流電平讀取法

按圖3連接儀器

圖3 方波電壓測(cè)量

示波器校準(zhǔn)儀輸出頻率1kHz，脈沖寬度0.5ms的方波信號(hào)。數(shù)字多用表置直流采樣功能，量程置自動(dòng)，示波器校準(zhǔn)儀的外觸發(fā)輸出端連接到數(shù)字多用表的外觸發(fā)輸入端，數(shù)字多用表在外觸發(fā)信號(hào)的下降沿觸發(fā)后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換同時(shí)又可以由數(shù)字多用表的延時(shí)命令設(shè)置的時(shí)間決定而發(fā)生，表4羅列了改變被測(cè)方波電壓的頻率，數(shù)字多用表的相應(yīng)各項(xiàng)功能設(shè)置

表1 3458A直流采樣設(shè)置

分別測(cè)量方波校準(zhǔn)電壓的底部和頂部電壓值，讀取數(shù)字多用表測(cè)量結(jié)果，根據(jù)公式（4）計(jì)算方波校準(zhǔn)電壓誤差

為了得到多次測(cè)量平均值，可以用數(shù)字多用表3458A的RMATH MEAN功能鍵,調(diào)用平均值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為最后的測(cè)量值。

1.2 測(cè)量結(jié)果

1.2.1 數(shù)字表直讀法

表2 數(shù)字表直讀法測(cè)量結(jié)果（輸入頻率1kHz）

1.2.2 直流電平讀取法

表3 直流電平讀取法測(cè)量結(jié)果（輸入頻率1kHz）

1.3 測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

1.3.1 數(shù)字表直讀法

選取1V，1kHz典型點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果不確定度分析

不確定度來(lái)源：

a)A類不確定度分量：重復(fù)性測(cè)量，即測(cè)量值分散性引入的不確定

b)B類不確定度分量：主要考慮標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置數(shù)字多用表測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度 2u ，計(jì)數(shù)器測(cè)量占空比所引入的不確定度可忽略。

表4 示波器校準(zhǔn)儀1V方波信號(hào)重復(fù)性數(shù)據(jù)表

b)數(shù)字多用表給出的相應(yīng)量程的交流電壓指標(biāo)可以從表2中獲得，得到準(zhǔn)確度指標(biāo)為±0.00027V，滿足均勻分布，取k=3

d)取k=2，則擴(kuò)展不確定度U=2 uc=2×1.6×10-4V=3.2×10-4V

1.3.2 直流電平讀取法的不確定度計(jì)算

選取1V，1kHz典型點(diǎn)進(jìn)行不確定度分析

不確定度來(lái)源：

a)A類不確定度分量：重復(fù)性測(cè)量，即測(cè)量值分散性引入的不確定度1u

b)B類不確定度分量：主要考慮標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置數(shù)字多用表測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度2u不確定度分量計(jì)算：

表5 示波器校準(zhǔn)儀1V方波信號(hào)重復(fù)性數(shù)據(jù)表

2 測(cè)量結(jié)果及不確定度評(píng)定比較：

2.1 測(cè)量結(jié)果誤差比較

表6 兩種方法的測(cè)量結(jié)果誤差比較

2.2 測(cè)量結(jié)果不確定度比較

表7 兩種方法的測(cè)量結(jié)果測(cè)量結(jié)果不確定度比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別選用了兩種比較合理的測(cè)量方法，對(duì)示波器校準(zhǔn)儀的方波信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，并得出測(cè)量結(jié)果，分析比較了測(cè)量結(jié)果誤差與測(cè)量不確定度，克服了原先的方波測(cè)量方法中存在的不足，保證了脈沖領(lǐng)域方波參數(shù)量值的傳遞溯源的有效性，可以正確的對(duì)各類示波器的垂直靈敏度參數(shù)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，同時(shí)，在分析兩種方法的過(guò)程中，也得出采取直流電平讀取法測(cè)量方波的準(zhǔn)確高效性，在接下去的工作中，可以考慮使用自動(dòng)化的測(cè)試方式，將示波器校準(zhǔn)儀的方波測(cè)量做到一氣呵成，以節(jié)省測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量效率。

［1］ 郁月華、杜建國(guó)等 JJG278-2002示波器校準(zhǔn)儀檢定規(guī)程

［2］ 梁駒 示波器校準(zhǔn)儀方波電壓的檢定方法 航天標(biāo)準(zhǔn)化2005年第二期

［3］ 陳永利 示波器校準(zhǔn)儀方波幅度測(cè)量結(jié)果的不確定度分析計(jì)量技術(shù)