《JJF 1057—1998數字存儲示波器校準規(guī)范》中掃描時間因數校準過程及存在問題探討

宋劍波 李 堅 劉洪賀 寇瓊月

(1.北京1014信箱18分箱，北京 102249；2.北京1303信箱，北京 100000；3.中國人民解放軍92538部隊，大連 116041)

0 引言

掃描時間因數又稱時基或掃描速度，它是指示波器光點在X軸方向移動單位長度所需的時間[1]。對數字存儲示波器而言，它是指顯示屏上水平掃描一格所需的時間(單位為：s/div)。掃描時間因數作為數字存儲示波器一個重要的校準項目，在《JJF 1057—1998數字存儲示波器校準規(guī)范》中作出了明確的校準要求，并詳細敘述了掃描時間因數的校準過程和數據處理方法。但由于求得掃描時間因數涉及采集速率的測量和動態(tài)有效位數校準時大量數據的擬合處理，所以，校準過程較復雜。為節(jié)省篇幅，校準規(guī)范在條文表述上引述或跳轉敘述的地方較多，給理解和實施該項目的校準帶來了一定難度。同時，根據筆者的實踐和理論推導，發(fā)現該校準規(guī)范中對掃描時間因數相對誤差的計算過程存在一定的理論偏差。

本文按校準規(guī)范中描述的思路，對掃描時間因數校準過程進行了系統(tǒng)論述，并對掃描時間因數校準中存在的問題進行了探討。

1 數字存儲示波器掃描時間因數的校準過程

經過邏輯關系對應和校準過程的梳理，按《JJF 1057—1998數字存儲示波器校準規(guī)范》中的描述思路，筆者對掃描時間因數校準過程和方法的系統(tǒng)描述如下。

將數字存儲示波器調到被校掃描時間因數檔，再將數字存儲示波器調到最高采樣率，按圖1進行儀器連接。

圖1 掃描時間因數校準儀器連接圖

設置測量通道的量程，置非自動量程測量模式，設置通道采集數據個數n>>1000，按式(1)選擇輸入信號頻率f：

f=Nv0/n

(1)

式中，v0為通道采集速率；N為通道采集的n個數據中所包含的信號整周期個數，N與n不能有公因子，按下式選取輸入正弦信號峰值

Ep=0.475Er

(2)

式中，Er為被測通道量程。

調整被校數字存儲示波器的觸發(fā)，使信號穩(wěn)定顯示，調節(jié)直流偏置，使輸入信號居中，覆蓋通道測量范圍，采集2個以上信號周期的數據xi(i=1,2,3,…n)，輸入計算機，利用最小二乘法找出最佳擬合正弦信號：

a(i)=Esin(ωi+θ)+d

(3)

求采集速率

v=2p f/ω

(4)

說明：由于篇幅所限，校準規(guī)范中未對此進行明確解釋。實際式(3)中，i為數據序列號，故ω中也包含一部分時間因子：

ω=2p fΔt

式中，Δt為信號采集時間間隔，依式(4)，采集速率

t=Δti為時間。

這樣，式(3)即是

a(i)=Esin(2p fΔti+θ)+d

這即是描述時域正弦信號的常用方程： e(t)=Esin(2p ft+θ)+d

由式(4)求得v后，可得采集速率誤差：

Δv=v0-v

(5)

采集速率的相對誤差為：

Δvr=Δv/v

(6)

則掃描時間因數的相對誤差為：

δt=-Δvr

(7)

(8)

式(8)可稱為是由掃描時間因數的校準式。

2 掃描時間因數校準數據運算過程存在的問題

從校準規(guī)范中的描述可以看出，這里所提出的方法是：首先求出相應通道數據采集速率及其相對誤差Δvr，再對Δvr數值取反即可。但實際情況是否如此呢？

在《JJF1057—1998數字存儲示波器校準規(guī)范》中，對掃描時間因數的定義如下：

掃描時間因數：

Kb=(M1-1)/ (M2v)(s/div)

(9)

式中，M1為顯示屏上所包含的采集數據點數；M2為顯示屏上從左至右的時間范圍內所包含的顯示格數(一般為10格)。

則掃描時間因數的相對誤差：

即

δt=(v-v0)/v0

(10)

這可稱為是由掃描時間因數的定義所得的推導式。

比較式(8)和式(10)，可知，二者分母不同，推導式(10)中的分母是被校數字存儲示波器采樣速率的標稱值v0，而校準式(8)中的分母是被校數字存儲示波器采樣速率的測量值v，從嚴格意義上講，二者是有差異的。如果數字存儲示波器的采樣速率標準值v0與實際測量結果v存在較大誤差，那么，采用式(8)求掃描時間因數將會帶來很大誤差。

基于上述分析，筆者認為，應對掃描時間因數校準過程的描述進行訂正，為準確起見，在測得數字存儲示波器的采樣率后，按式(10)直接求得掃描時間因數的相對誤差即可。

3 數字示波器掃描時間因數校準實例

2012年5月8日，本單位對某委托方送檢的數字示波器進行了檢定，掃描時間因數的檢定結果如下：

表1示波器掃描時間因數檢定結果一例

從表中可以看出，被檢示波器掃描時間因數超差。在此情況下，式(8)和式(10)的運算結果有明顯差異。所以，不管是從理論上，還是實際檢定工作中，都需要按式(10)對所測得的最高采樣率數據進行計算，從而得出符合實際情況的掃描時間因數數值，為校準結果的判定和示波器的維修提供準確的測量數據支持。

4 結束語

總之，數字示波器作為電子測量和信號波形分析的重要儀器設備，目前，對其計量校準方法提出了更高的要求?，F行的《數字存儲示波器校準規(guī)范》中對各被校項目及其校準方法做出了明確規(guī)定，特別是對掃描時間因數的校準方法進行了詳細說明。但由于該項目校準過程較復雜，在推導過程中出現上述失誤也在所難免。然而，計量工作要求精益求精，任何疏忽都可能給計量校準結果帶來無法挽回的過失。筆者結合工作實踐和理論推導對掃描時間因數的校準過程進行了系統(tǒng)性論述，并對掃描時間因數校準過程中存在的問題進行了探討，供下次修訂該校準規(guī)范時參考。

[1] 沈懷洋.數字示波器的校準.計量技術，2005(5)

[2] 國家質量技術監(jiān)督局.數字存儲示波器校準規(guī)范(JJF 1057—1998).北京：中國計量出版社，1998

[3] 韓建國，翁維勤，等.現代電子測量技術基礎.北京：中國計量出版社，2000

[4] 鄧斌.電子測量儀器.北京：國防工業(yè)出版社，2008

[5] 蔣煥文，孫續(xù)，等.電子測量.北京：中國計量出版社，2008