數字示波器水平掃描時間檢定方法的研究

摘 要：示波器是用量最多、用途最廣的電子測量儀器，是觀察和測量電子波形不可缺少的工具。隨著科學技術的發展，數字示波器逐步代替模擬示波器，應用越來越廣泛。針對數字示波器與模擬示波器的掃描時間工作原理不同，探討了幾種檢定數字示波器水平掃描系數的方法。

關鍵詞：數字示波器；水平掃描時間；計量檢定

1 前言

示波器作為一種通用測量儀器，在科研、教學、生產等方面得到廣泛應用。它除了可以用于顯示波形外，還可以用來測量各種波形參數。隨著科學技術的發展，示波器從早期的模擬示波器發展至現階段功能強大、性能卓越的數字示波器。數字示波器除了具有模擬示波器的功能外，還有強大的數據處理功能，在檢定數字示波器時，掃描時間系數誤差是必須檢定的項目。由于數字示波器采用晶振作為其時間基準，時間測量準確度比起模擬示波器有了很大的提高，因此，檢定數字示波器時間掃描準確度已不能照搬模擬示波器的檢定方法。

2 示波器水平掃描工作原理

2.1 模擬示波器掃描時間工作原理

模擬示波器掃描系統，也稱時基電路，用來產生一個隨時間做線性變化的掃描電壓，這種掃描電壓隨時間的變化關系如同鋸齒，故稱鋸齒波電壓，這個電壓經過x軸放大器放大后加到示波管的水平偏轉板上時，電子束產生水平掃描，這樣屏幕上的水平坐標變成時間坐標，y軸輸入的被測信號波形就可以在時間軸上展開。電子束在鋸齒波電壓的控制下，周而復始地從左到右沿x軸等速移動，這個過程被稱之為\"掃描\"。由于光點在x軸的位置與時間有關，所以光點掃描的軌跡也稱為\"時間基線\"，簡稱時基。掃描時基是指光跡在x方向偏轉一格所對應的掃描時間，其單位是s/div、ms/div或μs/div。

2.2 數字示波器水平掃描工作原理

當信號進入數字示波器時，在信號到達顯示器的偏轉電路之前，示波器將按一定的時間間隔對信號進行采樣。對輸入信號進行采樣的速度稱為采樣速率，由采樣時鐘控制，一般為每秒20MS/s到200MS/s，然后變換成二進制字，貯存在存儲器中。數字示波器采用內置晶振作為時間基準，微處理器自動計算出兩掃描點之間的時間差值，換算出相應的掃描時間并顯示出來。數字示波器掃描時間的準確度主要取決于所采用晶振的頻率準確度和穩定度，同時也與采樣速率以及觸發抖動有關，晶振的頻率準確度一般為10-4～10-6量級。

3 模擬示波器和數字示波器水平掃描檢定區別

檢定模擬示波器水平掃描時間系數時，按照模擬示波器檢定規程來進行，由于模擬示波器光點直徑的大小以及人眼分辨率等原因，當掃描時間系數變化小于0.1%時，人眼就根本分辨不出差別，所以示波器校準儀其時標最小變化量為0.1%。示波器校準儀輸出一個標準時標信號，使得該時標波形第2個波峰和第10個波峰分別與對應10%和90%的被測示波器熒光屏水平刻度線相重合，此時讀取示波器校準儀上所顯示的時標波形誤差，即為被測模擬示波器掃描時間系數該檔級示值誤差。

由于目前尚沒有數字示波器的檢定規程，一般都參照模擬示波器檢定規程來校準數字示波器。由于數字示波器對被觀測信號進行了幅度和時間數字化，并輔以自動參數測量功能，往往在測量時進行內插數據處理，從而進一步提高幅度、時間數字化分辨力，這樣示波器幅度和時間技術參數準確度遠優于等帶寬的模擬示波器。如果直接送一個時標信號給數字示波器，然后用檢定模擬示波器掃描時間系數誤差的檢定方法來檢定數字示波器的掃描時間準確度，這是無法測量出數字示波器的掃描時間準確度的，因為用人眼直接觀察示波器所能覺察到的最小變化為0.1%，而數字示波器的掃描時間準確度至少為0.02%，0.02%的誤差用人眼根本無法分辯。因此示波器校準儀顯然已不適合，并且手動測量誤差大，需要尋找新的檢定方法來檢定數字示波器的水平掃描時間系數。

4 數字示波器水平掃描檢定方法

4.1 采用時基放大的方法

①當數字示波器無時間延遲（delay）功能時

沒有時間延遲功能的數字示波器，如果按照模擬示波器的檢定方法來檢定數字示波器，則每一檔的掃描時間誤差都是0。但如果采用時基放大的方法，就可以檢定出誤差了。如檢定1ms/div檔，輸入時間間隔為1ms的時標，檢定時采用1μs/div的掃描檔來看，此時時間掃描準確度2×10-4被放大了1000倍，變為20%，此時通過人眼完全可以觀看出誤差了。

檢定方法：首先在1μs掃描檔將第一個時標脈沖與示波器的水平刻度中線對準，然后調節位移使時標向前移動，直至第二個脈沖出現在屏幕上，此時示波器所測出的時間間隔與輸入時標信號之間的偏差再除以1ms所得值的百分數即為掃描時間系數誤差。

②當數字示波器具有時間延遲（delay）功能時

當數字示波器具有時間延遲（delay）功能時，設置時標周期為10ms，將掃描時間系數設置為10ms/div。按下數字示波器的DELAY按鈕來啟動延時功能，逆時針旋轉水平POSITION按鈕來設置延遲為10毫秒整，然后再將掃描時間系數設置為1μs/div，此時己經將時基相應的放大了10000倍，這樣就能測出誤差了。

注意此時設定的時基應該滿足可以明顯看出誤差的要求，至少應該滿足

時基=觸發延時×0.01%。

4.2 直接測量數字示波器時基頻率

如果數字示波器有時基信號輸出口，可以用頻率計直接測量該時基頻率，計算出其誤差。

4.3 測量數字示波器的掃描速度

用檢定合格的時標產生器，采用直接檢定法，按照數字示波器的標稱水平掃描速度s/div，用一個和標稱掃速相同的時標輸入到示波器的垂直通道，使示波器屏幕上每一個水平格上正好出現一個時標，檢定示波器的水平掃描速度，是否與標準的時標信號相符合。讀出的數據算出相對誤差值，計算出掃描時間系數誤差。

5 結束語

本文給出了幾種數字示波器水平掃描時間的檢定方法，根據設備的不同，選用不同的測量方法，更好地實現數字示波器的水平掃描時間系數的檢定。

參考文獻

[1]JJG262-1996模擬示波器檢定規程[M] 中國計量出版社 1996.

[2]陸福敏，詹志強，數字示波器掃描時間的探討，電子測量與儀器學報，2004.

[3]容希，數字示波器參數校準方法探討，管理與技術，2007.