/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

選頻電平表主要用于通信設(shè)備的制造、安裝、維護(hù)與測(cè)試和電力系統(tǒng)高頻信號(hào)的傳輸測(cè)試，并廣泛用于科研和生產(chǎn)中的電平測(cè)量。為了保證選頻電平表的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，國(guó)家出版了JJG 777-1992《選頻電平表》檢定規(guī)程。在JJG 777-1992中，要求電平測(cè)量準(zhǔn)確度的檢定須使用一臺(tái)電平振蕩器加上一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)零電平表來(lái)完成。由于相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)室中并不具備標(biāo)準(zhǔn)零電平表，因此，本文提出了一種校準(zhǔn)選頻電平表電平測(cè)量準(zhǔn)確度的新方法，所使用的主要儀器為通信實(shí)驗(yàn)室中常用的高頻電壓表、信號(hào)發(fā)生器、通用的衰減器、阻抗變換器等。

1 JJG 777-1992中的方法介紹及其優(yōu)缺點(diǎn)

在JJG 777-1992中，檢定時(shí)的連接如圖1所示，所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)零電平表再加上一臺(tái)電平振蕩器。

圖1 JJG 777-1992中電平測(cè)量準(zhǔn)確度的檢定方法

1）方法的優(yōu)點(diǎn)

（1）由于電平振蕩器具有平衡輸出口和不平衡輸出口，對(duì)選頻電平表平衡輸入口的校準(zhǔn)，不需要使用外接的平衡/不平衡阻抗變換器，所使用的標(biāo)準(zhǔn)器較少。

（2）采用直接比較得出數(shù)值，校準(zhǔn)過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

2）方法的不足之處

（1）由于標(biāo)準(zhǔn)零電平表是早期產(chǎn)品，現(xiàn)在很難尋找得到。

（2）由于很難尋找到標(biāo)準(zhǔn)零電平表，有些單位在對(duì)選頻電平表校準(zhǔn)時(shí)，就使用另外一臺(tái)選頻電平表來(lái)代替標(biāo)準(zhǔn)零電平表。

2 新方法

為了解決以上所述的不足之處，在研究了各無(wú)線(xiàn)電研究室所用設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了選頻電平表電平測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)的新方法。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)器

1）電壓表

頻率范圍：20 Hz～2 MHz；交流電壓測(cè)量范圍：10 μV～100 V；交流電壓測(cè)量最大允許誤差：±1.5%。

2）信號(hào)發(fā)生器

頻率范圍 20 Hz～150 MHz；頻率最大允許誤差：±（1×10-4～ 1×10-7）；電平范圍：-60 ～20 dBm；諧波：小于-30 dB；標(biāo)稱(chēng)輸出阻抗：50 Ω。

3）衰減器

頻 率 范 圍：20 Hz～150 MHz； 衰 減 范 圍：0 ～90 dB；不確定度：0.1 dB（k= 2）；標(biāo)稱(chēng)阻抗：50 Ω；最小步進(jìn)：0.1 dB。

4）附件

（1）不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器：

頻率范圍：20 Hz～2 MHz；阻抗比：50Ω ∶600 Ω，50 Ω ∶ 900 Ω，50 Ω ∶ 135 Ω，50 Ω ∶100 Ω。

（2）BNC連接線(xiàn)纜、香蕉接頭若干。

2.2 校準(zhǔn)方法

600 Ω阻抗Z端輸入電平校準(zhǔn)。

由于平衡輸入有多種阻抗，在這里介紹600 Ω的Z端輸入阻抗的校準(zhǔn)，其他阻抗的校準(zhǔn)方法類(lèi)似。

（1）儀器連接如圖2所示。

圖2 平衡輸入600Ω輸入阻抗Z端輸入電平測(cè)量

（2）電壓表設(shè)定為高阻輸入、600 Ω阻抗功率電平測(cè)量、dBm顯示。

（3）設(shè)定衰減器的衰減值為0 dB，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出功率使電壓表指示 0 dBm。

（4）選擇選頻電平表為平衡600 Ω阻抗Z端輸入，輸入頻率與信號(hào)發(fā)生器相同，分別讀取寬帶電平測(cè)量以及不同的選頻帶寬的選頻電平測(cè)量時(shí)的選頻電平表示值，并作記錄。

（5）改變衰減器的衰減值，讀取待校選頻電平表的示值。

對(duì)于600 Ω的∞端和其他平衡輸入阻抗的電平測(cè)量準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，方法基本相同，只是需要外接匹配電阻或者是選用不同阻抗的不平衡/平衡轉(zhuǎn)換器。

3 校準(zhǔn)結(jié)果

采用上述方法，對(duì)選頻電平表進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 寬頻600 Ω校準(zhǔn)結(jié)果

表2 選頻600 Ω校準(zhǔn)結(jié)果

4 測(cè)量不確定度評(píng)定

在此進(jìn)行平衡600 Ω阻抗輸入端口電平校準(zhǔn)。根據(jù)圖2，建立測(cè)量模型。

4.1 測(cè)量模型

式中：L—— 選頻電平表電平示值，dBm；

LW—— 電壓表電平示值，dBm；

A—— 衰減器衰減值，dB

4.2 測(cè)量不確定度來(lái)源

根據(jù)分析，測(cè)量不確定度來(lái)源主要有以下幾個(gè)：

1）電壓表電壓測(cè)量誤差δ1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；

2）信號(hào)發(fā)生器諧波對(duì)電壓測(cè)量結(jié)果影響u2；

3）衰減器的衰減誤差a3引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3；

4）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

對(duì)于600 Ω輸入阻抗，電壓表電平測(cè)量計(jì)算公式為

式中：V—— 電壓表測(cè)量得到的電壓有效值，V；

R—— 電平計(jì)算所用阻抗，Ω

將式（2）代入式（1）得到：

對(duì)式（3）取偏微分，并考慮到測(cè)量重復(fù)性的影響，得到：

式中：ΔL—— 電平測(cè)量誤差，dB；

ΔV—— 電壓測(cè)量誤差，V；

V—— 電壓表電壓指示值，V；

ΔA—— 衰減器誤差，dB；

Δ1—— 測(cè)量重復(fù)性

根據(jù)分析，電壓測(cè)量誤差與電壓表的電壓測(cè)量誤差和信號(hào)諧波有關(guān)：

式中：δ1—— 電壓表電壓測(cè)量誤差，V；

δ2—— 信號(hào)發(fā)生器諧波對(duì)電壓表測(cè)量結(jié)果的影響，V

因此，式（4）變?yōu)?/p>

并可以得到：

c1= 8.68；c2= 8.68；c3= -1；c4= 1。

4.3 測(cè)量不確定度分析

1）電壓表電壓測(cè)量誤差δ1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

對(duì)于600 Ω輸入阻抗，-30 dBm電平時(shí)電壓V=24.49 mV，對(duì)應(yīng) 3458A 電壓表的 100 mV 量程，根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)：

頻率為1 kHz時(shí)的交流電壓測(cè)量最大允許誤差Δ11為

ΔV11=±（示值的0.014%+量程的0.002%）

頻率為2 MHz以下的交流電壓測(cè)量的最大允許誤差Δ12為

ΔV12=±（示值的1.5%+量程的0.01%）

將-30 dBm對(duì)應(yīng)的電壓24.49 mV和3458A電壓表的量程100 mV代入后運(yùn)算得到：

ΔV11=±0.005 429 mV；

ΔV12=±0.377 35 mV

轉(zhuǎn)換為相對(duì)誤差表示為

假設(shè)δ11為均勻分布，分布因子為 ，因此其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為

u11= 0.000 128 dB

假設(shè)δ12為均勻分布，分布因子為 ，因此其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為

u12= 0.008 9 dB

2）信號(hào)發(fā)生器諧波對(duì)電壓測(cè)量結(jié)果影響u2

失真度線(xiàn)性與對(duì)數(shù)值之間的換算公式為

式中：K—— 失真度，dB；

γ—— 失真度，%

信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)失真度K為-30 dB時(shí)，根據(jù)式（7）得到

γ= 3.16%

對(duì)于真有效值電壓表，失真對(duì)于電壓測(cè)量的影響計(jì)算公式為

假設(shè)為均勻分布，因此其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u2= 0.029%

3）衰減器的衰減誤差a3引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

根據(jù)衰減器的溯源證書(shū)，衰減器的測(cè)量不確定度為0.06 dB（k= 2），因此，衰減器衰減誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3= 0.06/2 dB = 0.03 dB

4）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

輸入-30 dBm功率，進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量，得到單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

標(biāo)準(zhǔn)不確定度用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表示，則

u41= 0.01 dB。

輸入-100 dBm功率，進(jìn)行10次測(cè)量，得到單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

標(biāo)準(zhǔn)不確定度用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表示，則

u42= 0.05 dB

4.4 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1）不確定度分量匯總見(jiàn)表3

2）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各分量獨(dú)立不相關(guān)，

對(duì)于-30 dBm的電平測(cè)量

1 kHz頻率

表3 電平測(cè)量校準(zhǔn)不確定度分量匯總表

4.5 擴(kuò)展不確定度

包含因子k= 2，擴(kuò)展不確定度U：

對(duì)于-30 dBm的電平測(cè)量

1 kHz頻率：U=kuc= 2×0.010 dB = 0.02 dB

2 MHz頻率：U=kuc= 2×0.078 dB = 0.16 dB

對(duì)于-100 dBm電平測(cè)量

1 kHz 頻率：U=kuc= 2×0.058 dB= 0.12 dB

2 MHz 頻率：U=kuc= 2×0.093 dB= 0.19 dB

5 結(jié)語(yǔ)

利用本文介紹的方法，對(duì)不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的選頻電平表的平衡輸入電平準(zhǔn)確度進(jìn)行了校準(zhǔn)，表明方法合理，已將此方法應(yīng)用在即將出臺(tái)的國(guó)家技術(shù)規(guī)范《選頻電平表校準(zhǔn)規(guī)范》之中。