不同型號示波器校準儀方波幅度測量分析

蒙立光

摘要：示波器校準儀是一種可產生精密的正弦（穩幅、雙通道）信號、方波（直流、電壓）信號、時標（三角波、子刻度方波/正弦波）和快沿信號等，可校準多種模擬和數字示波器，具有通用性、程控性、先進性和準確度的信號源儀器。本文對不同型號示波器校準儀三種方波幅度測量結果進行了分析。

關鍵詞：示波器校準儀；方波幅度；測量

引言

隨著電子測試計量技術的發展，示波器校準儀作為脈沖參數量值傳遞過程中應用最廣泛的環節之一，其規范性、高效性得到了飛速的發展，但示波器自身誤差會對被測信號產生影響，導致嚴重的產品質量問題，而且其校準項目復雜，參數眾多，耗時費力；校準技術難度大，特別是對方波電壓幅度的校準；方波電壓的量值傳遞關系不清晰，因此，對示波器校準儀的校準工作是無線電計量領域中的難點。

1.現有的校準方法

根據相應的檢定規程和現有文獻，并結合脈沖無線電實驗室的儀器特點，歸納為三種校準方法。

1.1高采樣數表法（方法一）

該方法的原理是通過數字多用表3458A同步示波器校準儀的觸發信號，在同步后數字多用表以積分的方式采集示波器校準儀輸出的方波的頂量值和底量值。按圖1連接儀器。數字多用表設置為DCV檔，設置積分周期為“0.01”，合理調節觸發延遲，分別測得方波信號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的直流電壓比較法。將示波器校準儀輸出的方波信號的頂部和底部電壓與脈沖幅度比較儀輸出的直流電壓進行比較，得到準確的方波頂量值和底量值。

數字多用表3458A監測精密脈沖幅度比較儀PAC-11輸出的可調直流電壓，分別將示波器校準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），通過斬波器與脈沖幅度比較儀輸出的可調直流電壓一起輸入高靈敏示波器SR12，經過差分放大后進行比較。通過不斷粗調或者細調PAC-11直流電壓值，使得高靈敏示波器SR12上兩波形重合達到平衡。此時，讀取數字多用表的實時直流電壓監測值，即為被測方波幅度的頂量值或底量值，按照方波幅度定義，通過頂量值減去底量值即為方波幅度。

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

1.3數字多用表交流測量法（方法三）

該方法的原理是通過數字多用表在交流采樣模式下測量得到方波電壓有效值，計算得到方波等效面積，來測量得到方波幅度。但使用該方法有前提，即通過數字存儲示波器觀測示波器校準儀的方波信號為標準方波，即其頂部應當平坦，無明顯上沖且過渡時間短，要求占空比為1∶2。

連接圖如圖3，將數字多用表置于ACV 檔，負載阻抗匹配，被測標準方波幅度記為U，數字多用表顯示電壓有效值記為U1，則被測方波幅度為

2.常用示波器校準儀特點

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

3.常用示波器校準儀測量方波幅度方法的分析

示波器校準儀NF4608B/4609B、POC-2，由于其無外觸發功能，不適合高采樣數表法；根據其最大允差超過±0.2% 的特點，可采用脈沖幅度比較儀法測量方波幅度或數字多用表交流測量法。示波器校準儀5520A 和9500B 都具備最大允差優于±0.2%且具有外觸發功能的特點，可選擇高采樣數表法測量方波幅度或數字多用表交流測量法。試驗表明，當外觸發信號的脈沖幅度大于1V，才能外觸發3458A數字多用表，示波器校準儀FLUKE9500B的外觸發信號是過零脈沖，不能直接觸發3458A，需外接一個具有電平轉換功能的模塊。將校準儀的同步觸發信號轉換為有效的觸發信號，確保數字多用表實現外觸發響應，故9500B示波器校準儀需通過一個電平轉換模塊才能使用高采樣數表法。但該電平轉換模塊通常實驗室并不具備，需自制。

經過測量和計算，示波器校準儀NF4608B/4609B、POC-2在脈沖幅度比較儀法和數字多用表交流測量法兩種方法下，測得的方波幅度數據不一致；5520A用高采樣數表法和數字多用表交流測量法兩種方法測得方波幅度數據不一致；9500B用此兩種方法測得方波幅度數據一致。見表2。

將各型號示波器校準儀輸出到數字示波器方波幅度均調整為1V，NF4608B/4609B、POC-2、5520A、9500B方波波形占空比均為1∶2的前提下，其前沿過渡時間和后沿過渡時間不一致，而9500B前沿、后沿過渡時間非常一致，見表3。數字多用表交流測量法原理其實是測量方波的等效面積，對于9500B示波器校準儀產生的方波，其前沿、后沿過渡時間一樣，正好補償成一個標準方波，等效面積不變，所以高采樣數表法和數字多用表交流測量法下的9500B 測量出的方波幅度數據一致，而其他型號的示波器校準儀前沿、后沿過渡時間不一致，方波面積無法補償，會造成數字多用表交流測量法測量方波幅度數據偏離真實值，NF4608B/4609B、POC-2、FLUKE5520A不建議使用數字多用表交流測量法。

為此，根據不同型號示波器校準儀的外觸發功能的有無、最大允差值、波形特點，總結了各型號示波器校準儀對應該選取的方波幅度校準方法，如表4所示。

4.結語

示波器校準儀是一種高精度測試計量儀器，能校準不同類型的模擬/數字示波器。隨著電子測試技術的發展，用戶對示波器輸出方波幅度測試提出了更高要求，只有示波器校準儀測量方波幅度方法進行研究探討，保證示波器校準儀的性能穩定及測試測量的準確性，才能推進示波器的研制、生產，促進無線電計量領域的可持續發展。

參考文獻：

[1]詹國鐘，李莊偉.示波器校準儀方波幅度測量基于高采樣數表法的實現[J].計量技術.2011（10）

[2]陳衷，潘光斌.數字示波器網絡化校準測試技術研究[J].國防技術基礎.2007（02）