示波器檢定裝置不確定度評定

姜琳，陳向榮，劉群，梁鈺坤，趙航

[摘? ? 要]測量不確定度是現代計量科學理論的重要組成，是實驗數據客觀性和有效性的重要參考。可以通過對測量結果不確定度評定，判斷計量標準是否符合國家檢定系統和國家計量檢定規程的要求，得出計量標準是否可以開展所申請項目的檢定校準工作的結論。主要就不確定度的評定做了詳盡的分析，并給出了相應的算法。

[關鍵詞]示波器;不確定度;計量標準

[中圖分類號]TH712 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–0–03

Evaluation and Analysis of Uncertainty of Digital Oscilloscopes

Jiang Lin，Chen Xiang-rong，Liu Qun，Liang Yu-kun，Zhao Hang

[Abstract]Measurement uncertainty is an important component of modern metrological science and an important reference for the objectivity and validity of experimental data. The purpose is to directly judge whether the metrological standard conforms to the requirements of the national verification system and national metrological verification regulations according to the analysis results， and make a conclusion whether the metrological standard can carry out the verification and calibration work of the applied project. The evaluation of uncertainty is analyzed in detail and the corresponding algorithm is given.

[Keywords]uncertainty;digital oscilloscopes;metrological standard

示波器因其優越的性能指標、可程控數字化通信及高速發展趨勢，在科研、試驗、生產和維修等各個領域應用非常廣泛，且發揮著很重要的作用[1]。

示波器在使用前，必須定期對直流增益、水平時基、頻帶寬度和上升時間等參數進行校準或檢定，避免示波器出現無法分辨高頻變化，幅度失真，邊緣消失，細節數據被丟失等情況[2]。計量標準要想對設備進行校準或檢定，必須通過不確定度分析計算合格后，才能進行量值傳遞。

1 示波器檢定裝置不確定度分析必要性

9500B示波器校準儀產生精密的正弦信號、方波信號、快沿信號、直流電壓信號和時標信號，可以校準3.2 GHz以下的模擬和數字示波器，是目前主流示波器實驗室標準器的首選。本實驗室于今年購置9500B示波器校準儀作為計量標準來檢定模擬和數字示波器，主標準器的更換或檢校過程中發現數值跑偏，需要重新進行不確定度的評定，結果為合格才能作為計量標準進行量值傳遞。評定主要分為兩部分：計量標準的不確定度評定和測量結果的不確定度評定。由于示波器檢定裝置是單臺儀器作為計量標準，無法進行計量標準的不確定度評定，本次評定為選擇被測設備進行測量結果的不確定度評定。

2 不確定度分析方法簡述

不確定度的評定方法是不確定度理論的核心問題，依據相關規程進行計量標準的不確定度評定，不確定度分量包括A類、B類。A類不確定度是通過觀測列數據求得標準偏差即通過重復性算出標準不確定度;B類不確定度無論是系統效應還是隨機效應都應該對其分析，即除重復性外其他引起的偏差。合成不確定度由A類、B類分量合成，合成不確定度乘以擴展因子得到擴展不確定度。

3 示波器檢定裝置不確定度分析

通過對直流增益、水平時基、頻帶寬度和上升時間四個參數的評定，給出了相應的算法。根據分析結果，判斷計量標準是否符合國家檢定系統和國家計量檢定規程的要求，做出計量標準是否可以開展所申請項目的校準或檢定工作的結論。

3.1 測量過程簡述

3.1.1 測量環境

測量環境條件：溫度20.0 ℃;相對濕度40.0%。

3.1.2 測量標準

示波器檢定裝置由福祿克9500B示波器校準儀和9530有源信號頭組成。

3.1.3 被測對象

普源精電DS2202數字示波器（編號：DS2A152401357）。

3.1.4 測量方法

采用直接測量法，測量示波器的直流增益、水平時基、頻帶寬度和上升時間，依據相關規程進行測量結果的不確定度評定。

3.2 相關參數不確定度評定

3.2.1 直流增益

9500B示波器校準儀具有無可比擬的準確度，9500B以5位數字精度輸出直流或10～100 kHz的方波信號，幅值可達200 V，準確度達0.025%，足夠校準垂直靈敏度為12比特至14比特的數字式示波器。

（1）測量重復性引入的不確定度。

示波器校準儀輸出分別設置20 mV/div、200 mV/div、5 V/div，按A類評定，根據測量數據，應用貝塞爾公式計算重復性，然后計算標準不確定度，計算結果見表1。

（2）示波器校準儀幅度誤差引入的不確定度。

由通用儀器校準源說明書給出技術指標為±（0.025%+25 μV），測量時為均勻分布k=，計算出各檔位的不確定度uB。

讀數為R時，uB=（0.025%×R+25 μV）/，計算結果見表1。

（3）環境條件引入的不確定度。

環境溫度、濕度控制在檢定規程要求的范圍內，其影響可忽略不計。

（4）合成不確定度：。

（5）擴展不確定度：U=kuC，其中k=2。

3.2.2 水平時基

有源信號頭產生的快沿幅度從5 mV到3 V調整，可以校準示波器輸入放大器的各靈敏度檔，甚至是最高靈敏度檔，內部的波形濾波器可以保證輸出快沿波形形狀一致。

（1）測量重復性引入的不確定度。

用時間延遲法測量水平時基誤差，連續測量6次，時標用10 ms，水平掃描時間100 ns測量數據為-110 ns，-110 ns，-110 ns，-110 ns，-110 ns，-110 ns，按A類評定，uA=0。

（2）通用儀器校準源時標誤差引入的不確定度。

按B類評定，據說明書給出的技術指標為2.5×10-7，按均勻分布k=，10 ms時，uB1=（2.5×

10-7×10）/=1.44 ns。

（3）人眼判讀誤差分辨力引入的不確定度。

按B類評定，人眼可以分辨1/4小格，在100 ns/div時，分辨率為：100/（5×4）=5 ns按均勻分布k=計算：uB2=5/=2.89 ns。

（4）環境條件引入的不確定度。

環境溫度、濕度控制在檢定規程要求的范圍內，其影響可忽略不計。

（5）合成不確定度=3.2 ns。

（6）擴展不確定度U=kuC=6.4 ns，其中k=2。

3.2.3 頻帶寬度

通用儀器校準源分別輸出120 mV、300 mV、600 mV，100 MHz信號，數字示波器分別在20 mV/div、50 mV/div、100 mV/div檔位測量6次。

（1）測量重復性引入的不確定度。

按A類評定，根據測量數據，應用貝塞爾公式計算120 mV、300 mV、600 mV測量不確定度uA。

（2）幅度測量引入的不確定度。

根據說明書，穩幅信號準確度為±4%，按均勻分布k=計算：

讀數為R時，uB=（4%×R）/，計算結果見表2。

（3）環境條件引入的不確定度。

環境溫度、濕度控制在檢定規程要求的范圍內，其影響可忽略不計。

（4）合成不確定度：。

（5）擴展不確定度：U=kuC，其中k=2。

3.2.4 上升時間

9500B發出的快沿脈沖由9530有源信號頭輸出，9530有源信號頭可輸出150 ps的快沿脈沖。盡管500 ps的快前沿脈沖可以校準目前市場上大多數的高頻示波器，9530的150 ps快前沿脈沖不但可以校準這些示波器的最高指標，還為校準今后推出的新型示波器做好了準備。

（1）測量重復性引入的不確定度。

對示波器的上升時間連續重復測量6次，得到6個測量值分別為3.504 ns、3.503 ns、3.501 ns、3.498 ns、3.500 ns、3.496 ns，用貝塞爾公式計算測量重復性引入的不確定度：

uA=s（x）/=1.2×10-3 ns

（2）數字示波器建立時間引入的不確定度。

示波器的上升時間約為3.5 ns，9500B通用儀器校準源的標準信號約為150 ps，建立時間與標準信號之比約為23，符合均勻分布，查表得：

（3）數字示波器時基不準引入的不確定度。

示波器的時基為1×10-4，符合均勻分布。

（4）數字示波器上升時間讀數分辨力引入的不確定度。

數字示波器上升時間的分辨率為0.001 ns，符合均勻分布。

（5）環境條件引入的不確定度。

環境溫度、濕度控制在檢定規程要求的范圍內，其影響可忽略不計。

（6）標準不確定度：≈0.063 ns

（7）擴展不確定度：U=kuC=0.13 ns，其中k=2。

4 測量結果不確定度報告

（1）直流增益不確定度見表3。

（2）帶寬不確定度見表4。

（3）時標：-110 ns，U=6.4 ns（k=2）。

（4）上升時間：3.5 ns，U=0.13 ns（k=2）。

示波器檢定裝置符合國家檢定系統和國家計量檢定規程的要求，計量標準可以開展所申請項目的校準或檢定工作。

5 結語

主要對示波器檢定裝置進行了測量結果不確定度分析，根據實驗室實際情況分析，得出最終結果。實際上對于電子專用測試設備測量結果，其測量不確定度的來源很多，除了測量設備本身外，測量人員、測量方法和被測對象的不完善也是不確定度的主要來源，因此在實際評定電子專用測試設備測量結果不確定度時要全面考慮靈活運用，充分發揮計量保證作用，更好地服務于科研生產。

參考文獻

[1] 李憲優，王玲，阮林波，等.數字示波器自動檢定方法與實現[J].裝備指揮技術學院學報，2010，21（2）：4.

[2] 葉培德.測量不確定度理解評定與應用[M].北京：中國質檢出版社，2013.