衰減振蕩波振蕩頻率的測量不確定度分析

孫晶星　許金祥　孫睿陽

摘 要：目的：介紹衰減振蕩波振蕩頻率測量不確定度分析和評定過程。方法：結合實例，討論阻尼振蕩波振蕩頻率主要的不確定度來源。結果：針對振蕩頻率為100kHz的阻尼振蕩波，水平時間刻度分別取2μs/div、4μs/div及5μs/div時，振蕩頻率的相對擴展不確定度分別為1.63%、3.24%及4.05%。結論：測量振蕩頻率時應當盡可能使振蕩周期波形完全展開在示波器屏幕上，可以減少人員讀數引入的不確定度。

關鍵詞：衰減振蕩波；阻尼振蕩波；振鈴波；振蕩頻率；不確定度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.010

1 引言

衰減振蕩波包含阻尼振蕩波和振鈴波兩大類：出現在設備端子上的阻尼振蕩波主要是在電廠、高中壓變電站及重工業設備中由于開關操作出現重復而引起的；振鈴波是一種由于電氣網絡和電抗負載的切換以及電源電路故障和絕緣擊穿或雷擊而感應到低電壓電纜中所產生的典型的震蕩瞬態現象，通常出現在供電網絡（高壓、中壓、低壓）以及控制、信號線中。

阻尼振蕩波發生器和振鈴波發生器是電磁兼容抗擾度試驗中用到的試驗儀器之一，廣泛應用于研發、制造等部門。兩者都是主要由直流高壓發生器、充電電路、振蕩電路線圈、阻抗轉換網絡、控制及信號顯示等部分組成（內置單相/三相電源線耦合/去耦網絡）。

運行狀態下的電子電氣設備和系統遭受阻尼振蕩波或振鈴波的干擾，可能影響可靠運行，因此有必要對其進行阻尼振蕩波和振鈴波抗擾度實驗。振蕩頻率是衰減振蕩波的一個基本參數，本文討論校準衰減振蕩波發生器輸出波形的振蕩頻率測量不確定度。

2 測量原理與方法

同連接待校準阻尼振蕩波發生器、高壓差分探頭和示波器，按照差分探頭的衰減比例，可以估算所測電壓的大小（如：待校阻尼振蕩波發生器輸出為+1kV，衰減比例×1000，那么輸入到示波器端口的開路電壓第一峰值電壓為+1V，示波器垂直分度選擇200mV/div）。調整示波器水平參數設置（如振蕩頻率選擇100kHz，水平分度選擇4μs/div或者5μs/div；如振蕩頻率選擇1MHz，水平分度選擇400ns/div或者500ns/div），讓波形的第一峰、第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上，記錄阻尼振蕩波波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔[1，2]，求倒數得到振蕩頻率。

為了減小人員讀數誤差引入的不確定度，也可以調整水平參數設置（如振蕩頻率選擇100kHz，水平分度選擇2μs/div；如振蕩頻率選擇1MHz，水平分度選擇200ns/div），讓波形的第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上，記錄阻尼振蕩波波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔，求倒數得到振蕩頻率。

T1——上升時間（75 ns）；

T——振蕩周期（對于100 kHz，10μs；對于1 MHz，1μs）

連接待校準振鈴波發生器、高壓差分探頭和示波器，按照差分探頭的衰減比例，可以估算所測電壓的大小（如2.1中設置），調整示波器水平參數設置，讓波形的第一峰、第二峰、第三峰完全顯示在示波器屏幕上（如振蕩頻率100kHz，水平分度選擇2μs/div），記錄振鈴波形第二過零點與第四過零點之間的時間間隔[3，4]，求倒數得到振蕩頻率。

T1——上升時間（0.5μs）；T——振蕩周期（10μs）；

示波器采樣方式設定。如果示波器采樣率足夠高，示波器可以選擇實時采樣方式（real-time sampling mode）；一般情況下示波器都具有內插值功能，測量正弦特征的脈沖波形，示波器應當選擇正弦插值方式（sin（x）/x interpolation）[5，6]；而測量非正弦特征的脈沖波形，示波器應當選擇線性插值方式（linear interpolation）[5，6]，并不是像文獻[7]中所論述的都需要使用正弦插值的方式。

對于阻尼振蕩波和振鈴波而言，測試采用正弦插值方式。

3 阻尼振蕩波發生器頻率測量結果不確定度的評定。

3.1 建立數學模型

式中：--被測發生器脈沖波形單個振蕩周期，也就是波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔。

式中：T--示波器測得單個振蕩周期；

--示波器時間間隔引入的影響量；

--示波器采樣速率引入的影響量；

--人員讀數引入的影響量。

3.2 單個振蕩周期不確定度主要來源于以下幾個方面

示波器測量時間間隔誤差引入的不確定度（包含示波器時基準確度引入的不確定度），示波器采樣速率引入的相對不確定度，測量人員讀數引入的不確定度，重復測量引入的測量結果不確定度。其標準不確定度分別為：u1、u2、u3、uA；相對不確定度分別為u1rel、u2rel、u3rel、uArel。

參考文獻：

[1]IEC61000-4-12：2002 Electromagnetic compatibility（EMC） Part 4： Testing and measurement techniques-Section 12： Oscillatory waves immunity test.

[2]GB/T 17626.12-1998，電池兼容 試驗和測量技術 振蕩波抗擾度試驗.

[3]Electromagnetic compatibility （EMC） - Part 4-12： Testing and measurement techniques - Ring wave immunity test （IEC 61000-4-12：2006）.