衰減振蕩波振蕩頻率的測量不確定度分析

孫晶星　許金祥　孫睿陽

摘 要：目的：介紹衰減振蕩波振蕩頻率測量不確定度分析和評定過程。方法：結(jié)合實例，討論阻尼振蕩波振蕩頻率主要的不確定度來源。結(jié)果：針對振蕩頻率為100kHz的阻尼振蕩波，水平時間刻度分別取2μs/div、4μs/div及5μs/div時，振蕩頻率的相對擴展不確定度分別為1.63%、3.24%及4.05%。結(jié)論：測量振蕩頻率時應(yīng)當(dāng)盡可能使振蕩周期波形完全展開在示波器屏幕上，可以減少人員讀數(shù)引入的不確定度。

關(guān)鍵詞：衰減振蕩波；阻尼振蕩波；振鈴波；振蕩頻率；不確定度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.010

1 引言

衰減振蕩波包含阻尼振蕩波和振鈴波兩大類：出現(xiàn)在設(shè)備端子上的阻尼振蕩波主要是在電廠、高中壓變電站及重工業(yè)設(shè)備中由于開關(guān)操作出現(xiàn)重復(fù)而引起的；振鈴波是一種由于電氣網(wǎng)絡(luò)和電抗負載的切換以及電源電路故障和絕緣擊穿或雷擊而感應(yīng)到低電壓電纜中所產(chǎn)生的典型的震蕩瞬態(tài)現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在供電網(wǎng)絡(luò)（高壓、中壓、低壓）以及控制、信號線中。

阻尼振蕩波發(fā)生器和振鈴波發(fā)生器是電磁兼容抗擾度試驗中用到的試驗儀器之一，廣泛應(yīng)用于研發(fā)、制造等部門。兩者都是主要由直流高壓發(fā)生器、充電電路、振蕩電路線圈、阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、控制及信號顯示等部分組成（內(nèi)置單相/三相電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)）。

運行狀態(tài)下的電子電氣設(shè)備和系統(tǒng)遭受阻尼振蕩波或振鈴波的干擾，可能影響可靠運行，因此有必要對其進行阻尼振蕩波和振鈴波抗擾度實驗。振蕩頻率是衰減振蕩波的一個基本參數(shù)，本文討論校準(zhǔn)衰減振蕩波發(fā)生器輸出波形的振蕩頻率測量不確定度。

2 測量原理與方法

同連接待校準(zhǔn)阻尼振蕩波發(fā)生器、高壓差分探頭和示波器，按照差分探頭的衰減比例，可以估算所測電壓的大?。ㄈ纾捍Ｗ枘嵴袷幉òl(fā)生器輸出為+1kV，衰減比例×1000，那么輸入到示波器端口的開路電壓第一峰值電壓為+1V，示波器垂直分度選擇200mV/div）。調(diào)整示波器水平參數(shù)設(shè)置（如振蕩頻率選擇100kHz，水平分度選擇4μs/div或者5μs/div；如振蕩頻率選擇1MHz，水平分度選擇400ns/div或者500ns/div），讓波形的第一峰、第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上，記錄阻尼振蕩波波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔[1，2]，求倒數(shù)得到振蕩頻率。

為了減小人員讀數(shù)誤差引入的不確定度，也可以調(diào)整水平參數(shù)設(shè)置（如振蕩頻率選擇100kHz，水平分度選擇2μs/div；如振蕩頻率選擇1MHz，水平分度選擇200ns/div），讓波形的第二峰、第三峰、第四峰完全顯示在示波器屏幕上，記錄阻尼振蕩波波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔，求倒數(shù)得到振蕩頻率。

T1——上升時間（75 ns）；

T——振蕩周期（對于100 kHz，10μs；對于1 MHz，1μs）

連接待校準(zhǔn)振鈴波發(fā)生器、高壓差分探頭和示波器，按照差分探頭的衰減比例，可以估算所測電壓的大?。ㄈ?.1中設(shè)置），調(diào)整示波器水平參數(shù)設(shè)置，讓波形的第一峰、第二峰、第三峰完全顯示在示波器屏幕上（如振蕩頻率100kHz，水平分度選擇2μs/div），記錄振鈴波形第二過零點與第四過零點之間的時間間隔[3，4]，求倒數(shù)得到振蕩頻率。

T1——上升時間（0.5μs）；T——振蕩周期（10μs）；

示波器采樣方式設(shè)定。如果示波器采樣率足夠高，示波器可以選擇實時采樣方式（real-time sampling mode）；一般情況下示波器都具有內(nèi)插值功能，測量正弦特征的脈沖波形，示波器應(yīng)當(dāng)選擇正弦插值方式（sin（x）/x interpolation）[5，6]；而測量非正弦特征的脈沖波形，示波器應(yīng)當(dāng)選擇線性插值方式（linear interpolation）[5，6]，并不是像文獻[7]中所論述的都需要使用正弦插值的方式。

對于阻尼振蕩波和振鈴波而言，測試采用正弦插值方式。

3 阻尼振蕩波發(fā)生器頻率測量結(jié)果不確定度的評定。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

式中：--被測發(fā)生器脈沖波形單個振蕩周期，也就是波形第三過零點與第五過零點之間的時間間隔。

式中：T--示波器測得單個振蕩周期；

--示波器時間間隔引入的影響量；

--示波器采樣速率引入的影響量；

--人員讀數(shù)引入的影響量。

3.2 單個振蕩周期不確定度主要來源于以下幾個方面

示波器測量時間間隔誤差引入的不確定度（包含示波器時基準(zhǔn)確度引入的不確定度），示波器采樣速率引入的相對不確定度，測量人員讀數(shù)引入的不確定度，重復(fù)測量引入的測量結(jié)果不確定度。其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：u1、u2、u3、uA；相對不確定度分別為u1rel、u2rel、u3rel、uArel。

參考文獻：

[1]IEC61000-4-12：2002 Electromagnetic compatibility（EMC） Part 4： Testing and measurement techniques-Section 12： Oscillatory waves immunity test.

[2]GB/T 17626.12-1998，電池兼容 試驗和測量技術(shù) 振蕩波抗擾度試驗.

[3]Electromagnetic compatibility （EMC） - Part 4-12： Testing and measurement techniques - Ring wave immunity test （IEC 61000-4-12：2006）.