宋劍波 李 堅 劉洪賀 寇瓊月

(1.北京1014信箱18分箱，北京 102249；2.北京1303信箱，北京 100000；3.中國人民解放軍92538部隊，大連 116041)

0 引言

掃描時間因數(shù)又稱時基或掃描速度，它是指示波器光點在X軸方向移動單位長度所需的時間[1]。對數(shù)字存儲示波器而言，它是指顯示屏上水平掃描一格所需的時間(單位為：s/div)。掃描時間因數(shù)作為數(shù)字存儲示波器一個重要的校準項目，在《JJF 1057—1998數(shù)字存儲示波器校準規(guī)范》中作出了明確的校準要求，并詳細敘述了掃描時間因數(shù)的校準過程和數(shù)據(jù)處理方法。但由于求得掃描時間因數(shù)涉及采集速率的測量和動態(tài)有效位數(shù)校準時大量數(shù)據(jù)的擬合處理，所以，校準過程較復雜。為節(jié)省篇幅，校準規(guī)范在條文表述上引述或跳轉敘述的地方較多，給理解和實施該項目的校準帶來了一定難度。同時，根據(jù)筆者的實踐和理論推導，發(fā)現(xiàn)該校準規(guī)范中對掃描時間因數(shù)相對誤差的計算過程存在一定的理論偏差。

本文按校準規(guī)范中描述的思路，對掃描時間因數(shù)校準過程進行了系統(tǒng)論述，并對掃描時間因數(shù)校準中存在的問題進行了探討。

1 數(shù)字存儲示波器掃描時間因數(shù)的校準過程

經過邏輯關系對應和校準過程的梳理，按《JJF 1057—1998數(shù)字存儲示波器校準規(guī)范》中的描述思路，筆者對掃描時間因數(shù)校準過程和方法的系統(tǒng)描述如下。

將數(shù)字存儲示波器調到被校掃描時間因數(shù)檔，再將數(shù)字存儲示波器調到最高采樣率，按圖1進行儀器連接。

圖1 掃描時間因數(shù)校準儀器連接圖

設置測量通道的量程，置非自動量程測量模式，設置通道采集數(shù)據(jù)個數(shù)n>>1000，按式(1)選擇輸入信號頻率f：

f=Nv0/n

(1)

式中，v0為通道采集速率；N為通道采集的n個數(shù)據(jù)中所包含的信號整周期個數(shù)，N與n不能有公因子，按下式選取輸入正弦信號峰值

Ep=0.475Er

(2)

式中，Er為被測通道量程。

調整被校數(shù)字存儲示波器的觸發(fā)，使信號穩(wěn)定顯示，調節(jié)直流偏置，使輸入信號居中，覆蓋通道測量范圍，采集2個以上信號周期的數(shù)據(jù)xi(i=1,2,3,…n)，輸入計算機，利用最小二乘法找出最佳擬合正弦信號：

a(i)=Esin(ωi+θ)+d

(3)

求采集速率

v=2p f/ω

(4)

說明：由于篇幅所限，校準規(guī)范中未對此進行明確解釋。實際式(3)中，i為數(shù)據(jù)序列號，故ω中也包含一部分時間因子：

ω=2p fΔt

式中，Δt為信號采集時間間隔，依式(4)，采集速率

t=Δti為時間。

這樣，式(3)即是

a(i)=Esin(2p fΔti+θ)+d

這即是描述時域正弦信號的常用方程： e(t)=Esin(2p ft+θ)+d

由式(4)求得v后，可得采集速率誤差：

Δv=v0-v

(5)

采集速率的相對誤差為：

Δvr=Δv/v

(6)

則掃描時間因數(shù)的相對誤差為：

δt=-Δvr

(7)

(8)

式(8)可稱為是由掃描時間因數(shù)的校準式。

2 掃描時間因數(shù)校準數(shù)據(jù)運算過程存在的問題

從校準規(guī)范中的描述可以看出，這里所提出的方法是：首先求出相應通道數(shù)據(jù)采集速率及其相對誤差Δvr，再對Δvr數(shù)值取反即可。但實際情況是否如此呢？

在《JJF1057—1998數(shù)字存儲示波器校準規(guī)范》中，對掃描時間因數(shù)的定義如下：

掃描時間因數(shù)：

Kb=(M1-1)/ (M2v)(s/div)

(9)

式中，M1為顯示屏上所包含的采集數(shù)據(jù)點數(shù)；M2為顯示屏上從左至右的時間范圍內所包含的顯示格數(shù)(一般為10格)。

則掃描時間因數(shù)的相對誤差：

即

δt=(v-v0)/v0

(10)

這可稱為是由掃描時間因數(shù)的定義所得的推導式。

比較式(8)和式(10)，可知，二者分母不同，推導式(10)中的分母是被校數(shù)字存儲示波器采樣速率的標稱值v0，而校準式(8)中的分母是被校數(shù)字存儲示波器采樣速率的測量值v，從嚴格意義上講，二者是有差異的。如果數(shù)字存儲示波器的采樣速率標準值v0與實際測量結果v存在較大誤差，那么，采用式(8)求掃描時間因數(shù)將會帶來很大誤差。

基于上述分析，筆者認為，應對掃描時間因數(shù)校準過程的描述進行訂正，為準確起見，在測得數(shù)字存儲示波器的采樣率后，按式(10)直接求得掃描時間因數(shù)的相對誤差即可。

3 數(shù)字示波器掃描時間因數(shù)校準實例

2012年5月8日，本單位對某委托方送檢的數(shù)字示波器進行了檢定，掃描時間因數(shù)的檢定結果如下：

表1示波器掃描時間因數(shù)檢定結果一例

從表中可以看出，被檢示波器掃描時間因數(shù)超差。在此情況下，式(8)和式(10)的運算結果有明顯差異。所以，不管是從理論上，還是實際檢定工作中，都需要按式(10)對所測得的最高采樣率數(shù)據(jù)進行計算，從而得出符合實際情況的掃描時間因數(shù)數(shù)值，為校準結果的判定和示波器的維修提供準確的測量數(shù)據(jù)支持。

4 結束語

總之，數(shù)字示波器作為電子測量和信號波形分析的重要儀器設備，目前，對其計量校準方法提出了更高的要求?，F(xiàn)行的《數(shù)字存儲示波器校準規(guī)范》中對各被校項目及其校準方法做出了明確規(guī)定，特別是對掃描時間因數(shù)的校準方法進行了詳細說明。但由于該項目校準過程較復雜，在推導過程中出現(xiàn)上述失誤也在所難免。然而，計量工作要求精益求精，任何疏忽都可能給計量校準結果帶來無法挽回的過失。筆者結合工作實踐和理論推導對掃描時間因數(shù)的校準過程進行了系統(tǒng)性論述，并對掃描時間因數(shù)校準過程中存在的問題進行了探討，供下次修訂該校準規(guī)范時參考。

[1] 沈懷洋.數(shù)字示波器的校準.計量技術，2005(5)

[2] 國家質量技術監(jiān)督局.數(shù)字存儲示波器校準規(guī)范(JJF 1057—1998).北京：中國計量出版社，1998

[3] 韓建國，翁維勤，等.現(xiàn)代電子測量技術基礎.北京：中國計量出版社，2000

[4] 鄧斌.電子測量儀器.北京：國防工業(yè)出版社，2008

[5] 蔣煥文，孫續(xù)，等.電子測量.北京：中國計量出版社，2008