基于時基參數(shù)的能力驗證結果分析

宋潔 顧震宇 趙哲 李珊紅

（西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099）

0.引言

示波器是電子測試中最基礎也是最重要的儀器，各大實驗室開展工作也都離不開示波器，那么如何證明示波器擁有檢測/校準能力對于實驗室來說就顯的尤為重要。按照國際標準和相關技術要求規(guī)定[1]，應由CNAS指定的合格評定機構對參加實驗室進行評價和認可[2]。一般認可的方式有參加能力驗證活動，通過實驗室間比對、測量審核來證明參加者的能力。典型的能力驗證活動是將一個已校準具有參考值的樣品寄送至某實驗室，將實驗室結果與參考值進行比較，從而判斷該實驗室的測量結果是否滿意。因此，西北機電工程研究所檢測與校準實驗室和CNAS指定的能力驗證機構北京無線電計量測試研究所取得聯(lián)系，實施了數(shù)字示波器的時基和直流增益兩個參數(shù)的能力驗證。本文僅就時基這一項參數(shù)進行介紹分析。

1.參數(shù)的選擇原則

時基是時間顯示的基本單位，即時間基準。在示波器中，時基的選擇原則是：在能觀察到信號的完整周期的情況下選擇最小檔位，檔位越小，儀器的精度越高。對于周期性信號，需要調節(jié)示波器的時間檔位觀察信號的1.5～3個周期即可，而對于非周期性信號，一般需要觸發(fā)后觀察信號的總體長度，將信號的波形長度除以儀器顯示時間軸的格數(shù)即可。

2.能力驗證的基本情況

（1）樣品情況。本次能力驗證選用的樣品為TDS3052B型數(shù)字示波器（由北京無線電計量測試研究所提供），其主要技術指標表1所示。（2）環(huán)境條件。工作溫度：（23±5）℃；相對濕度：＜80%。（3）校準方法。本次試驗采用的是延遲法，由示波器校準源輸出時標信號，選定數(shù)字示波器的某一通道，與其匹配連接，參考檢定規(guī)程對示波器進行校準。首先選取周期為10ms（1ms、100ms）的時標信號，調整數(shù)字示波器的各項設置，關閉延遲功能，使波形在其屏幕上穩(wěn)定居中顯示。調整完畢后，打開延遲功能，設置延遲時間為10ms（1ms、100ms），選擇水平最快掃描速度。用光標測量并記錄波形下一周期對應位置（上升部分標志點）距離數(shù)字示波器屏幕水平正中位置的時間ΔT，左負右正。按公式計算時基的相對誤差：，其中：ΔT為示波器顯示的絕對誤差，T為時標信號。（4）校準步驟。1）將數(shù)字示波器和校準源通電預熱30min以上；2）執(zhí)行儀器自校準程序；3）連接線路，進行校準。（5）注意事項。1）確認工作電源電壓正確，保證示波器校準源和被校準示波器都可靠接地。2）按照檢定規(guī)程規(guī)定，應做好校準源和被校準儀器的阻抗匹配。

表1 數(shù)字示波器的主要技術指標

3.測量結果不確定度的分析及評定

3.1 建立測量模型

ΔT=T1-T2

式中：ΔT為時基的測量誤差，s；T1為數(shù)字示波器顯示值，s；T2為示波器校準源輸出值，s。

3.2 不確定度來源分析

（1）由示波器測量的重復性引入的標準不確定度uA；（2）由示波器校準源引入的標準不確定度uB，包括分辨率引入的不確定度分量uB1，校準源自身誤差極限引入的不確定度分量uB2，以及由上級計量機構計量校準源引入的不確定度分量uB3。

3.3 不確定度評定

10ms的時標信號在數(shù)字示波器的水平偏轉系數(shù)為最低檔時進行重復測量10次，10次測量的平均值為：，則：，即 uA為 0.13μs。

（2）由校準源引入的相對標準不確定度uB評定。1）分辨率引入的不確定度分量uB1。采用B類方法評定，周期為10ms時，屏幕上顯示的最小分辨力為20ns，服從均勻分布，包含因子，則：；2）校準源自身誤差極限引入的不確定度分量uB2。采用B類方法評定，在實驗室環(huán)境下，10ms點的最大允許誤差為±0.25×10-6，服從均勻分布，包含因子,則：；3）上級計量機構計量校準源引入的不確定度分量uB3。由于上級量傳示波器出具的檢定證書結果為合格，所以其引入的測量不確定度可以認為不大于其允許誤差極限的四分之一，在此忽略不計。

3.4 合成標準不確定度

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度為：u=2uc=2.4μs。

4.能力驗證結果分析

其中，UL和UR的包含概率均取95%，比對測量結果一致性的評判原則為：表示參比實驗室的測量結果與參考值與不確定度之比在合理的預期范圍之內，即結果滿意； 表示參比實驗室的測量結果與參考值與不確定度之比超出合理的預期，即結果為不滿意。本實驗室能力驗證結果評價如表2所示。通過所得數(shù)值分析結果為滿意。

表2 本實驗室能力驗證結果評價表

5.結論

比對是能力驗證活動的重要組成部分，也是實驗室認可活動中的重要環(huán)節(jié)。通過本次能力驗證活動，本實驗室證明了從事數(shù)字示波器時基測量等指定項目參數(shù)的對外校準能力，確保了實驗室認可項目的準確性和有效性，增加了客戶以及相關方對本實驗室的信任，也增強了實驗室自身的信心。因此，本次活動對做好能力驗證等相關活動提供了寶貴經(jīng)驗，更對實驗室的發(fā)展有著重要意義。