戴丹詹國(guó)鐘施濱/ 1.上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

示波器校準(zhǔn)儀輸出方波幅度校準(zhǔn)方法的選擇

戴丹1,2詹國(guó)鐘2施濱2/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹了不同廠家和型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀輸出方波幅度的三種校準(zhǔn)方法，比較了現(xiàn)有不同型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀和特點(diǎn)，指出了三種方波幅度校準(zhǔn)方法的適用范圍，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使這三種示波器校準(zhǔn)儀輸出方波幅度的校準(zhǔn)方法更有針對(duì)性，提高日常校準(zhǔn)工作效率。

示波器校準(zhǔn)儀；方波幅度；校準(zhǔn)方法

0 引言

示波器校準(zhǔn)儀廣泛應(yīng)用于示波器的檢定和校準(zhǔn)，目前的主流示波器校準(zhǔn)儀有NF4608B/4609B，POC-2；FLUKE的5520A；FLUKE的9500B。對(duì)示波器校準(zhǔn)儀方波幅度的計(jì)量檢定校準(zhǔn)主要依據(jù)示波器校準(zhǔn)儀檢定規(guī)程（JJG 278-2002）進(jìn)行，其中包含了三種現(xiàn)行有效的方波幅度測(cè)量方法。這三種方法分別是：高采樣數(shù)表法、脈沖幅度比較儀法和數(shù)字多用表交流測(cè)量法。示波器檢定規(guī)程中只是給出了這三種方法，但是針對(duì)現(xiàn)有的主流示波器校準(zhǔn)儀哪種方法更合適則無(wú)涉獵，本文針對(duì)不同型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)果。

1 現(xiàn)有示波器校準(zhǔn)儀方波幅度校準(zhǔn)方法

根據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程和現(xiàn)有文獻(xiàn)[1-4]，并結(jié)合脈沖無(wú)線(xiàn)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。

圖1 高采樣數(shù)表法連接圖

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[2]。

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[3]。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[5]。

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

圖2 脈沖幅度比較儀法連接圖

圖3 數(shù)字多用表交流測(cè)量法連接圖

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。

表1 各型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀特點(diǎn)比較

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1 V，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)[5]，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[6]。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。

表2 不同測(cè)量方法下的實(shí)測(cè)結(jié)果

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1 V，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，故NF4608B/4609B、POC-2、FLUKE5520A不建議使用數(shù)字多用表交流測(cè)量法。

表3 各型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀前后過(guò)渡時(shí)間

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。

表4 各型號(hào)示波器校準(zhǔn)儀適用方波校準(zhǔn)方法選擇

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)總結(jié)和數(shù)據(jù)分析，給出了相對(duì)應(yīng)各種不同型號(hào)的示波器校準(zhǔn)儀較合適的方波幅度校準(zhǔn)方法，從而提高工作的效率。

[1]全國(guó)無(wú)線(xiàn)電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 278-2002示波器校準(zhǔn)儀檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

[2]陸福敏.脈沖參數(shù)計(jì)量方法綜述[J].上海計(jì)量測(cè)試，2008（2）：2-7.

[3]張正嫻.淺析示波器校準(zhǔn)儀方波信號(hào)的測(cè)量方法[J].電子測(cè)試，2013（6）：12-14.

[4]詹志強(qiáng)，何昭，李建宇，等.頻譜分析儀技術(shù)及測(cè)試應(yīng)用指南[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2016.

[5]劉明亮，陸福敏，朱江淼，等.現(xiàn)代脈沖計(jì)量[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6]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）：22-24.

The selection of square wave amplitude calibration methods for oscilloscope calibrators

Dai Dan1,2，Zhan Guozhong2，Shi Bin2
（1.Shanghai Jiaotong University；2.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

According to different models and features of various oscilloscope calibrators, this paper introduces three calibration methods of square wave amplitude.It shows which is the best suitable calibration method for the given oscilloscope calibrator through the comparation of these different oscilloscope calibrator features.Through the experiment,these three calibration methods can be used in targeted ways and the working ef fi ciency of daily calibration is improved.

oscilloscope calibrator; square wave amplitude; calibration method