不同型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀方波幅度測(cè)量分析

蒙立光

摘要：示波器校準(zhǔn)儀是一種可產(chǎn)生精密的正弦（穩(wěn)幅、雙通道）信號(hào)、方波（直流、電壓）信號(hào)、時(shí)標(biāo)（三角波、子刻度方波/正弦波）和快沿信號(hào)等，可校準(zhǔn)多種模擬和數(shù)字示波器，具有通用性、程控性、先進(jìn)性和準(zhǔn)確度的信號(hào)源儀器。本文對(duì)不同型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀三種方波幅度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：示波器校準(zhǔn)儀；方波幅度；測(cè)量

引言

隨著電子測(cè)試計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，示波器校準(zhǔn)儀作為脈沖參數(shù)量值傳遞過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的環(huán)節(jié)之一，其規(guī)范性、高效性得到了飛速的發(fā)展，但示波器自身誤差會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，而且其校準(zhǔn)項(xiàng)目復(fù)雜，參數(shù)眾多，耗時(shí)費(fèi)力；校準(zhǔn)技術(shù)難度大，特別是對(duì)方波電壓幅度的校準(zhǔn)；方波電壓的量值傳遞關(guān)系不清晰，因此，對(duì)示波器校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)工作是無(wú)線電計(jì)量領(lǐng)域中的難點(diǎn)。

1.現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法

根據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程和現(xiàn)有文獻(xiàn)，并結(jié)合脈沖無(wú)線電實(shí)驗(yàn)室的儀器特點(diǎn)，歸納為三種校準(zhǔn)方法。

1.1高采樣數(shù)表法（方法一）

該方法的原理是通過(guò)數(shù)字多用表3458A同步示波器校準(zhǔn)儀的觸發(fā)信號(hào)，在同步后數(shù)字多用表以積分的方式采集示波器校準(zhǔn)儀輸出的方波的頂量值和底量值。按圖1連接儀器。數(shù)字多用表設(shè)置為DCV檔，設(shè)置積分周期為“0.01”，合理調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲，分別測(cè)得方波信號(hào)的頂部和底部電壓值，按照方波幅度定義，頂部電壓減去底部電壓即為方波幅度。

1.2脈沖幅度比較儀法（方法二）

該方法的原理是傳統(tǒng)的直流電壓比較法。將示波器校準(zhǔn)儀輸出的方波信號(hào)的頂部和底部電壓與脈沖幅度比較儀輸出的直流電壓進(jìn)行比較，得到準(zhǔn)確的方波頂量值和底量值。

數(shù)字多用表3458A監(jiān)測(cè)精密脈沖幅度比較儀PAC-11輸出的可調(diào)直流電壓，分別將示波器校準(zhǔn)儀輸出給定方波電壓的上限值與下限值（即方波的頂量值與底量值），通過(guò)斬波器與脈沖幅度比較儀輸出的可調(diào)直流電壓一起輸入高靈敏示波器SR12，經(jīng)過(guò)差分放大后進(jìn)行比較。通過(guò)不斷粗調(diào)或者細(xì)調(diào)PAC-11直流電壓值，使得高靈敏示波器SR12上兩波形重合達(dá)到平衡。此時(shí)，讀取數(shù)字多用表的實(shí)時(shí)直流電壓監(jiān)測(cè)值，即為被測(cè)方波幅度的頂量值或底量值，按照方波幅度定義，通過(guò)頂量值減去底量值即為方波幅度。

示波器校準(zhǔn)儀檢定規(guī)程中提出，該方法適用于方波校準(zhǔn)電壓最大允許誤差超過(guò)±0.2%的校準(zhǔn)儀。按圖2 連接儀器。

1.3數(shù)字多用表交流測(cè)量法（方法三）

該方法的原理是通過(guò)數(shù)字多用表在交流采樣模式下測(cè)量得到方波電壓有效值，計(jì)算得到方波等效面積，來(lái)測(cè)量得到方波幅度。但使用該方法有前提，即通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)示波器校準(zhǔn)儀的方波信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)方波，即其頂部應(yīng)當(dāng)平坦，無(wú)明顯上沖且過(guò)渡時(shí)間短，要求占空比為1∶2。

連接圖如圖3，將數(shù)字多用表置于ACV 檔，負(fù)載阻抗匹配，被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方波幅度記為U，數(shù)字多用表顯示電壓有效值記為U1，則被測(cè)方波幅度為

2.常用示波器校準(zhǔn)儀特點(diǎn)

現(xiàn)今有如下幾種比較常用的示波器校準(zhǔn)儀：NF4608B/4609B，POC-2；FLUKE 的5520A；FLUKE的9500B。不同型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀在方波幅度最大允差、外觸發(fā)功能方面都各有特點(diǎn)。如表1所示。

3.常用示波器校準(zhǔn)儀測(cè)量方波幅度方法的分析

示波器校準(zhǔn)儀NF4608B/4609B、POC-2，由于其無(wú)外觸發(fā)功能，不適合高采樣數(shù)表法；根據(jù)其最大允差超過(guò)±0.2% 的特點(diǎn)，可采用脈沖幅度比較儀法測(cè)量方波幅度或數(shù)字多用表交流測(cè)量法。示波器校準(zhǔn)儀5520A 和9500B 都具備最大允差優(yōu)于±0.2%且具有外觸發(fā)功能的特點(diǎn)，可選擇高采樣數(shù)表法測(cè)量方波幅度或數(shù)字多用表交流測(cè)量法。試驗(yàn)表明，當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)的脈沖幅度大于1V，才能外觸發(fā)3458A數(shù)字多用表，示波器校準(zhǔn)儀FLUKE9500B的外觸發(fā)信號(hào)是過(guò)零脈沖，不能直接觸發(fā)3458A，需外接一個(gè)具有電平轉(zhuǎn)換功能的模塊。將校準(zhǔn)儀的同步觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效的觸發(fā)信號(hào)，確保數(shù)字多用表實(shí)現(xiàn)外觸發(fā)響應(yīng)，故9500B示波器校準(zhǔn)儀需通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換模塊才能使用高采樣數(shù)表法。但該電平轉(zhuǎn)換模塊通常實(shí)驗(yàn)室并不具備，需自制。

經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算，示波器校準(zhǔn)儀NF4608B/4609B、POC-2在脈沖幅度比較儀法和數(shù)字多用表交流測(cè)量法兩種方法下，測(cè)得的方波幅度數(shù)據(jù)不一致；5520A用高采樣數(shù)表法和數(shù)字多用表交流測(cè)量法兩種方法測(cè)得方波幅度數(shù)據(jù)不一致；9500B用此兩種方法測(cè)得方波幅度數(shù)據(jù)一致。見(jiàn)表2。

將各型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀輸出到數(shù)字示波器方波幅度均調(diào)整為1V，NF4608B/4609B、POC-2、5520A、9500B方波波形占空比均為1∶2的前提下，其前沿過(guò)渡時(shí)間和后沿過(guò)渡時(shí)間不一致，而9500B前沿、后沿過(guò)渡時(shí)間非常一致，見(jiàn)表3。數(shù)字多用表交流測(cè)量法原理其實(shí)是測(cè)量方波的等效面積，對(duì)于9500B示波器校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的方波，其前沿、后沿過(guò)渡時(shí)間一樣，正好補(bǔ)償成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方波，等效面積不變，所以高采樣數(shù)表法和數(shù)字多用表交流測(cè)量法下的9500B 測(cè)量出的方波幅度數(shù)據(jù)一致，而其他型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀前沿、后沿過(guò)渡時(shí)間不一致，方波面積無(wú)法補(bǔ)償，會(huì)造成數(shù)字多用表交流測(cè)量法測(cè)量方波幅度數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值，NF4608B/4609B、POC-2、FLUKE5520A不建議使用數(shù)字多用表交流測(cè)量法。

為此，根據(jù)不同型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀的外觸發(fā)功能的有無(wú)、最大允差值、波形特點(diǎn)，總結(jié)了各型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀對(duì)應(yīng)該選取的方波幅度校準(zhǔn)方法，如表4所示。

4.結(jié)語(yǔ)

示波器校準(zhǔn)儀是一種高精度測(cè)試計(jì)量?jī)x器，能校準(zhǔn)不同類(lèi)型的模擬/數(shù)字示波器。隨著電子測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)示波器輸出方波幅度測(cè)試提出了更高要求，只有示波器校準(zhǔn)儀測(cè)量方波幅度方法進(jìn)行研究探討，保證示波器校準(zhǔn)儀的性能穩(wěn)定及測(cè)試測(cè)量的準(zhǔn)確性，才能推進(jìn)示波器的研制、生產(chǎn)，促進(jìn)無(wú)線電計(jì)量領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹國(guó)鐘，李莊偉.示波器校準(zhǔn)儀方波幅度測(cè)量基于高采樣數(shù)表法的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量技術(shù).2011（10）

[2]陳衷，潘光斌.數(shù)字示波器網(wǎng)絡(luò)化校準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)研究[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ).2007（02）