高精度階梯波電平校準方法研究

趙自文，徐毓雄，杜 亮，秦塬淋

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000)

0 引 言

在空空導彈武器裝備科研生產過程中，采用專用測試設備產生高精度階梯電平信號作為參考基準，該參考基準需要現場標定。目前對于階梯波信號電平的測試常用數字示波器或高速采樣數字電壓表兩種方法，對于脈沖信號（單臺階階梯波）除了能用數字示波器和高速采樣數字電壓表外[1-2]，也可以使用脈沖電壓表或脈沖幅度比較儀[3]。但上述方法存在使用限制條件，主要表現在：1）若使用高速采樣數字電壓表測試階梯波臺階電平[4]，此方式需要借助同步觸發，而專用測試設備未配置同步輸出端；2）使用脈沖電壓表或脈沖幅度比較儀，但該方法僅適用于頂部失真小的脈沖信號電平的測試，不適用于階梯波臺階電平的測試；3）使用數字示波器進行電平直接測試，該方式雖然能觀測采樣信號波形細節[5]，但存在兩方面的問題，一方面數字示波器的測量誤差不滿足校準要求，專用測試設備高精度階梯電平的允許誤差要求±1%，依據GJB5109-2004校準用設備與被校準設備允許誤差比優于1∶4的要求，校準用設備的電平測量誤差要優于±0.25%才能滿足要求，數字示波器受直流增益、偏置、垂直分辨力等因素的綜合影響[6]，直接測量誤差目前僅在±2%（參考頻率點）的水平，顯然不能滿足要求，另一方面對于多臺階階梯波電平無法使用自動測量功能，只能采用手動光標定位各臺階基準線，對于臺階部分有失真的信號不易準確定位，易引入較大誤差。本文基于空空導彈專用測試設備的校準需求，設計出一種利用數字示波器和高精度直流電壓源實現高精度階梯波電平參數的間接比較式校準方法。

1 高精度階梯波電平的間接比較式校準方法設計

空空導彈專用測試設備高精度階梯波技術要求歸類如下：階梯電平臺階數≤5；臺階電平范圍100 mV～5 V，誤差±1%；重復頻率范圍 100 Hz～10 kHz，誤差±0.01%；階梯上升時間＜20 ns。階梯波形示意圖如圖1所示。

圖1 階梯波形

隨著數字示波器測量技術的發展，目前的中高端數字示波器已具備大范圍直流偏置、高垂直分辨力、高帶寬、深度存儲等特征，雖然直接測量其精度達不到校準要求，但通過間接比較測量途徑，即借助數字示波器的垂直直方圖統計分析結果與外部高精度直流電壓源電壓值[7]，通過兩者比較的方式實現高精度階梯波電平的校準。

1.1 校準方法選用的測量標準

依據GJB5109-2004校準設備與被校設備之間測量范圍覆蓋、誤差比值滿足1∶4的要求，綜合考慮高精度階梯波的測量范圍、測量誤差等指標，間接比較式校準方法選用數字示波器、高精度直流電壓源作為測量標準，校準連接如圖2所示。

圖2 間接比較式校準方法連接示意圖

1.1.1 數字示波器

數字示波器在間接比較式校準方法中主要用于階梯波的采集、顯示、放大，數字示波器應具備直方圖功能，便于采集數據的統計分析計算，技術要求如下：

1）偏置范圍

數字示波器具備較大的偏置范圍是實現高精度階梯波電平間接比較式校準方法的前提，數字示波器的動態偏置范圍要求如下（1 MΩ輸入阻抗）：±5 V（＜10 mV/div），±20 V（10 mV/div～200 mV/div），±75 V（＞200 mV/div）。

2）垂直靈敏度

數字示波器垂直靈敏度范圍1 mV/div～5 V/div（1 MΩ輸入阻抗），結合被測信號的電平大小，在數字示波器的動態偏置允許范圍內通過提高數字示波器的垂直靈敏度，放大波形細節減小測量誤差。

3）垂直分辨力

數字示波器的垂直分辨力為8位，同時要具備12位的高分辨力模式，用于降低隨機噪聲的影響。

4）頻帶寬度

數字示波器的帶寬應不低于100 MHz，示波器的固有上升時間應小于被測信號的上升時間，以便能準確觀測階梯波或脈沖波的上升/下降沿。

5）實時采樣率

當數字示波器時基在5 μs/div～5 ms/div范圍內時，實時采樣率不低于10 MS/s。

1.1.2 高精度直流電壓源

高精度直流電壓源在間接比較式校準方法中用于提供高穩定、低噪聲的直流信號和階梯波的臺階電平進行比較，間接實現階梯波臺階電平的測量。要求電壓源輸出值能精密調節，便于與階梯波臺階電平準確比較。高精度直流電壓源應具備以下技術要求：

1）電壓輸出

高精度直流電壓源是間接比較式校準方法中的溯源標準，電壓的輸出誤差與被測信號電平指標之間須滿足1:4的關系，校準源的誤差要優于1×10-4，同時要具備良好的穩定性和低噪聲，穩定性指標要優于5×10-5/h，100 mV量程噪聲有效值小于10 μV（10 Hz～10 kHz），1 V 量程噪聲有效值小于 20μV（10 Hz～10 kHz），10 V 量程噪聲有效值小于 30 μV（10 Hz～10 kHz）。

2）輸出調節

高精度直流電壓源的輸出調節顯示分辨力要與被測階梯波信號的電平指標相適應，便于借助數字示波器進行階梯波臺階電平的準確比較，輸出調節顯示分辨力要求：100 mV量程優于1 μV，1 V量程優于 10 μV，10 V 量程優于 100 μV。

1.2 校準方法設計

高精度階梯波電平間接比較式校準方法涉及兩個關鍵點：1）確定階梯波的各臺階基線位置；2）減小各環節測量誤差，提高測量精度。

1.2.1 階梯波臺階基線位置識別方法

準確測量階梯波臺階電平的前提必須要確定各臺階基線位置，它直接關聯著臺階電平的測量結果[8-10]，特別是對于類似圖3所示臺階有失真的信號基線位置更不易準確定位。

本方法通過巧用數字示波器的垂直直方圖功能實現階梯波各臺階基線位置的識別定位。在△t時間內數字示波器ADC對信號連續采樣得到n個樣本，基于樣本進行統計分析，采用一系列寬度相等、高度不等的長方形表征數據的直方圖，長方形的寬度表示數字化電平的分組間隔，長方形的高度表示在給定分組間隔內出現的頻數，如果樣本容量取得足夠大，分組的間隔取得足夠小，柱狀的直方圖就會變成曲線圖，顯示樣本的分布規律[11]。當選取數字化信號電平分布圖時，處于階梯波臺階處的頻數較多，會形成一個遠高于其它電平的峰，該峰所在位置即為階梯波對應臺階的基線位置，如圖3中的p0、p1、p2、p3位置。

圖3 臺階失真階梯波

1.2.2 減小階梯波臺階基線定位誤差

以一臺專用測試設備的校準為例，將待測的專用測試設備階梯波信號接到數字示波器的垂直輸入端，耦合方式為DC，輸入阻抗為1 MΩ，垂直靈敏度及時基等其他設置置于合適位置，使一個完整周期的階梯波信號穩定顯示在數字示波器屏幕的中間位置，將數字示波器的“帶寬限制”置到20 MHz，減小高頻噪聲對測量的影響，示波器數據采集模式置于“實時”，采樣模式置于“高分辨率”。

打開數字示波器垂直直方圖功能，將水平和垂直分析區域定位一個階梯波信號周期，此時在數字示波器屏幕一側可觀察到統計分析直方圖。圖4是一個5個臺階500 mV 1 kHz的階梯波垂直直方圖示例，此時可觀察到直方圖有6個峰，其位置分別對應階梯波0～5臺階的基線位置。垂直直方圖的峰值位置精度受數字示波器垂直分辨力的影響，當數字示波器的靈敏度較低時，較低的數字化電平分辨力直接影響峰值定位精度，提高峰值位置精度必須提高數字化電平分辨力。

圖4 階梯波臺階電平測量直方圖

保持分析區域的水平界限和垂直界限不變，逐步提高數字示波器的垂直靈敏度，同時利用數字示波器較大的動態直流偏置，將要測量的某一臺階放大且穩定顯示到數字示波器的屏幕中間，此時垂直直方圖顯示該臺階的統計分析結果，打開數字示波器的水平光標，將光標調整到該臺階直方圖的峰值點，并保持示波器狀態不變。

1.2.3 采用間接比較方式減小測量誤差

斷開專用測試設備階梯波信號輸出端與數字示波器之間的連接，將專用測試設備替換成高精度直流電壓源，將高精度直流電壓源輸出端連接至數字示波器的同一測試通道，電壓輸出值設置到上述待測階梯波臺階電平附近，精細調節高精度直流電壓源的電壓輸出，使此時的直方圖峰值點與水平光標重合，此時高精度電壓源的輸出值即為階梯波待測臺階電平的測量值。階梯波其他臺階電平的測量按照上述方式同樣進行。

2 高精度階梯波電平測量結果不確定度評定

依據上述校準方法選用一臺DSOX6002A數字示波器和一臺2553 A高精度直流電壓源對一臺專用測試設備的高精度階梯波臺階電平進行校準，并對測量結果的不確定度進行評定[12]。階梯波頻率1 kHz，臺階數 5，臺階電平：100～500 mV，誤差：±1%。校準結果見表1。

表1 階梯波臺階電平校準結果

從表中選取階梯波第1臺階100 mV電平為例進行測量結果的不確定度分析評定，主要影響分量來自以下4個方面：

1）測量重復性

對重復頻率1 kHz的階梯波第1臺階電平進行6次重復測量，測量結果見表2。

表2 臺階電平測量結果

測量結果的實驗標準差：

測量重復性引入的A類標準不確定度：

2）數字示波器的垂直分辨力

當測試階梯波第1臺階時，調整數字示波器的偏置和垂直靈敏度，最終將數字示波器的靈敏度設置為2 mV/div（滿量程為16 mV），將數字示波器的采集模式置于“高分辨率”，此時數字示波器的垂直分辨力為

由垂直分辨力引入的不確定度服從均勻分布，不確定度B類分量為

3）數字示波器的水平光標分辨力

測試階梯波第1臺階時，數字示波器的靈敏度設置為2 mV/div，此時打開數字示波器的水平光標對準第1臺階波的直方圖峰值點時，光標的分辨力為25 μV，由水平光標分辨力引入不確定度服從均勻分布，不確定度B類分量為

4）高精度直流電壓源的電壓輸出誤差

高精度直流電壓源2 553 A在100 mV點的輸出誤差為

電壓輸出誤差引入的不確定度服從均勻分布，誤差限半寬度為10 μV，不確定度B類分量為

按上述同樣的分析評定方法可得到階梯波其他臺階電平測量結果的不確定度如下：

3 間接比較式校準方法的驗證

為了驗證間接比較式校準方法的合理正確性，在校準實驗室用一臺示波器校準儀9500作為標準源替代圖2中的專用測試設備，校準儀輸出標準方波（一階臺階波），幅值范圍 100 mV～5 V ±(0.1% 設置值+10 μV），頻率范圍 100Hz～10 kHz，用上級計量技術機構出具的校準結果作為標準值，校準結果見表3。

表3 方波幅值校準結果

從表中結果看，采用間接比較式校準方法所得到的“測量值±U”的誤差均不超過±0.25%。因此使用DSOX6002A數字示波器和2553 A高精度直流電壓源組合在一起作為標準，采用間接比較式校準方法其系統指標優于±0.25%的水平，滿足空空導彈專用測試設備高精度階梯波電平±1%的現場校準要求。

4 結束語

校準方法的正確性直接影響著專用測試設備參數指標的判定，進而影響著空空導彈產品測量結果的準確性。目前已有多套空空導彈專用測試設備校準規范采用了間接比較式校準方法并獲評審通過，該校準方法已應用在了空空導彈專用測試設備高精度階梯波電平的現場校準，現場應用表明該校準方法設計合理、簡便易行，既能觀察波形細節又能保證校準結果質量，能對型號產品起到良好的計量保障作用。