趙自文，徐毓雄，杜 亮，秦塬淋

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引 言

在空空導(dǎo)彈武器裝備科研生產(chǎn)過(guò)程中，采用專用測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生高精度階梯電平信號(hào)作為參考基準(zhǔn)，該參考基準(zhǔn)需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。目前對(duì)于階梯波信號(hào)電平的測(cè)試常用數(shù)字示波器或高速采樣數(shù)字電壓表兩種方法，對(duì)于脈沖信號(hào)（單臺(tái)階階梯波）除了能用數(shù)字示波器和高速采樣數(shù)字電壓表外[1-2]，也可以使用脈沖電壓表或脈沖幅度比較儀[3]。但上述方法存在使用限制條件，主要表現(xiàn)在：1）若使用高速采樣數(shù)字電壓表測(cè)試階梯波臺(tái)階電平[4]，此方式需要借助同步觸發(fā)，而專用測(cè)試設(shè)備未配置同步輸出端；2）使用脈沖電壓表或脈沖幅度比較儀，但該方法僅適用于頂部失真小的脈沖信號(hào)電平的測(cè)試，不適用于階梯波臺(tái)階電平的測(cè)試；3）使用數(shù)字示波器進(jìn)行電平直接測(cè)試，該方式雖然能觀測(cè)采樣信號(hào)波形細(xì)節(jié)[5]，但存在兩方面的問(wèn)題，一方面數(shù)字示波器的測(cè)量誤差不滿足校準(zhǔn)要求，專用測(cè)試設(shè)備高精度階梯電平的允許誤差要求±1%，依據(jù)GJB5109-2004校準(zhǔn)用設(shè)備與被校準(zhǔn)設(shè)備允許誤差比優(yōu)于1∶4的要求，校準(zhǔn)用設(shè)備的電平測(cè)量誤差要優(yōu)于±0.25%才能滿足要求，數(shù)字示波器受直流增益、偏置、垂直分辨力等因素的綜合影響[6]，直接測(cè)量誤差目前僅在±2%（參考頻率點(diǎn)）的水平，顯然不能滿足要求，另一方面對(duì)于多臺(tái)階階梯波電平無(wú)法使用自動(dòng)測(cè)量功能，只能采用手動(dòng)光標(biāo)定位各臺(tái)階基準(zhǔn)線，對(duì)于臺(tái)階部分有失真的信號(hào)不易準(zhǔn)確定位，易引入較大誤差。本文基于空空導(dǎo)彈專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)出一種利用數(shù)字示波器和高精度直流電壓源實(shí)現(xiàn)高精度階梯波電平參數(shù)的間接比較式校準(zhǔn)方法。

1 高精度階梯波電平的間接比較式校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

空空導(dǎo)彈專用測(cè)試設(shè)備高精度階梯波技術(shù)要求歸類如下：階梯電平臺(tái)階數(shù)≤5；臺(tái)階電平范圍100 mV～5 V，誤差±1%；重復(fù)頻率范圍 100 Hz～10 kHz，誤差±0.01%；階梯上升時(shí)間＜20 ns。階梯波形示意圖如圖1所示。

圖1 階梯波形

隨著數(shù)字示波器測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，目前的中高端數(shù)字示波器已具備大范圍直流偏置、高垂直分辨力、高帶寬、深度存儲(chǔ)等特征，雖然直接測(cè)量其精度達(dá)不到校準(zhǔn)要求，但通過(guò)間接比較測(cè)量途徑，即借助數(shù)字示波器的垂直直方圖統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與外部高精度直流電壓源電壓值[7]，通過(guò)兩者比較的方式實(shí)現(xiàn)高精度階梯波電平的校準(zhǔn)。

1.1 校準(zhǔn)方法選用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GJB5109-2004校準(zhǔn)設(shè)備與被校設(shè)備之間測(cè)量范圍覆蓋、誤差比值滿足1∶4的要求，綜合考慮高精度階梯波的測(cè)量范圍、測(cè)量誤差等指標(biāo)，間接比較式校準(zhǔn)方法選用數(shù)字示波器、高精度直流電壓源作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)連接如圖2所示。

圖2 間接比較式校準(zhǔn)方法連接示意圖

1.1.1 數(shù)字示波器

數(shù)字示波器在間接比較式校準(zhǔn)方法中主要用于階梯波的采集、顯示、放大，數(shù)字示波器應(yīng)具備直方圖功能，便于采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，技術(shù)要求如下：

1）偏置范圍

數(shù)字示波器具備較大的偏置范圍是實(shí)現(xiàn)高精度階梯波電平間接比較式校準(zhǔn)方法的前提，數(shù)字示波器的動(dòng)態(tài)偏置范圍要求如下（1 MΩ輸入阻抗）：±5 V（＜10 mV/div），±20 V（10 mV/div～200 mV/div），±75 V（＞200 mV/div）。

2）垂直靈敏度

數(shù)字示波器垂直靈敏度范圍1 mV/div～5 V/div（1 MΩ輸入阻抗），結(jié)合被測(cè)信號(hào)的電平大小，在數(shù)字示波器的動(dòng)態(tài)偏置允許范圍內(nèi)通過(guò)提高數(shù)字示波器的垂直靈敏度，放大波形細(xì)節(jié)減小測(cè)量誤差。

3）垂直分辨力

數(shù)字示波器的垂直分辨力為8位，同時(shí)要具備12位的高分辨力模式，用于降低隨機(jī)噪聲的影響。

4）頻帶寬度

數(shù)字示波器的帶寬應(yīng)不低于100 MHz，示波器的固有上升時(shí)間應(yīng)小于被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間，以便能準(zhǔn)確觀測(cè)階梯波或脈沖波的上升/下降沿。

5）實(shí)時(shí)采樣率

當(dāng)數(shù)字示波器時(shí)基在5 μs/div～5 ms/div范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)時(shí)采樣率不低于10 MS/s。

1.1.2 高精度直流電壓源

高精度直流電壓源在間接比較式校準(zhǔn)方法中用于提供高穩(wěn)定、低噪聲的直流信號(hào)和階梯波的臺(tái)階電平進(jìn)行比較，間接實(shí)現(xiàn)階梯波臺(tái)階電平的測(cè)量。要求電壓源輸出值能精密調(diào)節(jié)，便于與階梯波臺(tái)階電平準(zhǔn)確比較。高精度直流電壓源應(yīng)具備以下技術(shù)要求：

1）電壓輸出

高精度直流電壓源是間接比較式校準(zhǔn)方法中的溯源標(biāo)準(zhǔn)，電壓的輸出誤差與被測(cè)信號(hào)電平指標(biāo)之間須滿足1:4的關(guān)系，校準(zhǔn)源的誤差要優(yōu)于1×10-4，同時(shí)要具備良好的穩(wěn)定性和低噪聲，穩(wěn)定性指標(biāo)要優(yōu)于5×10-5/h，100 mV量程噪聲有效值小于10 μV（10 Hz～10 kHz），1 V 量程噪聲有效值小于 20μV（10 Hz～10 kHz），10 V 量程噪聲有效值小于 30 μV（10 Hz～10 kHz）。

2）輸出調(diào)節(jié)

高精度直流電壓源的輸出調(diào)節(jié)顯示分辨力要與被測(cè)階梯波信號(hào)的電平指標(biāo)相適應(yīng)，便于借助數(shù)字示波器進(jìn)行階梯波臺(tái)階電平的準(zhǔn)確比較，輸出調(diào)節(jié)顯示分辨力要求：100 mV量程優(yōu)于1 μV，1 V量程優(yōu)于 10 μV，10 V 量程優(yōu)于 100 μV。

1.2 校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

高精度階梯波電平間接比較式校準(zhǔn)方法涉及兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1）確定階梯波的各臺(tái)階基線位置；2）減小各環(huán)節(jié)測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

1.2.1 階梯波臺(tái)階基線位置識(shí)別方法

準(zhǔn)確測(cè)量階梯波臺(tái)階電平的前提必須要確定各臺(tái)階基線位置，它直接關(guān)聯(lián)著臺(tái)階電平的測(cè)量結(jié)果[8-10]，特別是對(duì)于類似圖3所示臺(tái)階有失真的信號(hào)基線位置更不易準(zhǔn)確定位。

本方法通過(guò)巧用數(shù)字示波器的垂直直方圖功能實(shí)現(xiàn)階梯波各臺(tái)階基線位置的識(shí)別定位。在△t時(shí)間內(nèi)數(shù)字示波器ADC對(duì)信號(hào)連續(xù)采樣得到n個(gè)樣本，基于樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用一系列寬度相等、高度不等的長(zhǎng)方形表征數(shù)據(jù)的直方圖，長(zhǎng)方形的寬度表示數(shù)字化電平的分組間隔，長(zhǎng)方形的高度表示在給定分組間隔內(nèi)出現(xiàn)的頻數(shù)，如果樣本容量取得足夠大，分組的間隔取得足夠小，柱狀的直方圖就會(huì)變成曲線圖，顯示樣本的分布規(guī)律[11]。當(dāng)選取數(shù)字化信號(hào)電平分布圖時(shí)，處于階梯波臺(tái)階處的頻數(shù)較多，會(huì)形成一個(gè)遠(yuǎn)高于其它電平的峰，該峰所在位置即為階梯波對(duì)應(yīng)臺(tái)階的基線位置，如圖3中的p0、p1、p2、p3位置。

圖3 臺(tái)階失真階梯波

1.2.2 減小階梯波臺(tái)階基線定位誤差

以一臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)為例，將待測(cè)的專用測(cè)試設(shè)備階梯波信號(hào)接到數(shù)字示波器的垂直輸入端，耦合方式為DC，輸入阻抗為1 MΩ，垂直靈敏度及時(shí)基等其他設(shè)置置于合適位置，使一個(gè)完整周期的階梯波信號(hào)穩(wěn)定顯示在數(shù)字示波器屏幕的中間位置，將數(shù)字示波器的“帶寬限制”置到20 MHz，減小高頻噪聲對(duì)測(cè)量的影響，示波器數(shù)據(jù)采集模式置于“實(shí)時(shí)”，采樣模式置于“高分辨率”。

打開(kāi)數(shù)字示波器垂直直方圖功能，將水平和垂直分析區(qū)域定位一個(gè)階梯波信號(hào)周期，此時(shí)在數(shù)字示波器屏幕一側(cè)可觀察到統(tǒng)計(jì)分析直方圖。圖4是一個(gè)5個(gè)臺(tái)階500 mV 1 kHz的階梯波垂直直方圖示例，此時(shí)可觀察到直方圖有6個(gè)峰，其位置分別對(duì)應(yīng)階梯波0～5臺(tái)階的基線位置。垂直直方圖的峰值位置精度受數(shù)字示波器垂直分辨力的影響，當(dāng)數(shù)字示波器的靈敏度較低時(shí)，較低的數(shù)字化電平分辨力直接影響峰值定位精度，提高峰值位置精度必須提高數(shù)字化電平分辨力。

圖4 階梯波臺(tái)階電平測(cè)量直方圖

保持分析區(qū)域的水平界限和垂直界限不變，逐步提高數(shù)字示波器的垂直靈敏度，同時(shí)利用數(shù)字示波器較大的動(dòng)態(tài)直流偏置，將要測(cè)量的某一臺(tái)階放大且穩(wěn)定顯示到數(shù)字示波器的屏幕中間，此時(shí)垂直直方圖顯示該臺(tái)階的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，打開(kāi)數(shù)字示波器的水平光標(biāo)，將光標(biāo)調(diào)整到該臺(tái)階直方圖的峰值點(diǎn)，并保持示波器狀態(tài)不變。

1.2.3 采用間接比較方式減小測(cè)量誤差

斷開(kāi)專用測(cè)試設(shè)備階梯波信號(hào)輸出端與數(shù)字示波器之間的連接，將專用測(cè)試設(shè)備替換成高精度直流電壓源，將高精度直流電壓源輸出端連接至數(shù)字示波器的同一測(cè)試通道，電壓輸出值設(shè)置到上述待測(cè)階梯波臺(tái)階電平附近，精細(xì)調(diào)節(jié)高精度直流電壓源的電壓輸出，使此時(shí)的直方圖峰值點(diǎn)與水平光標(biāo)重合，此時(shí)高精度電壓源的輸出值即為階梯波待測(cè)臺(tái)階電平的測(cè)量值。階梯波其他臺(tái)階電平的測(cè)量按照上述方式同樣進(jìn)行。

2 高精度階梯波電平測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

依據(jù)上述校準(zhǔn)方法選用一臺(tái)DSOX6002A數(shù)字示波器和一臺(tái)2553 A高精度直流電壓源對(duì)一臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備的高精度階梯波臺(tái)階電平進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定[12]。階梯波頻率1 kHz，臺(tái)階數(shù) 5，臺(tái)階電平：100～500 mV，誤差：±1%。校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 階梯波臺(tái)階電平校準(zhǔn)結(jié)果

從表中選取階梯波第1臺(tái)階100 mV電平為例進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的不確定度分析評(píng)定，主要影響分量來(lái)自以下4個(gè)方面：

1）測(cè)量重復(fù)性

對(duì)重復(fù)頻率1 kHz的階梯波第1臺(tái)階電平進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 臺(tái)階電平測(cè)量結(jié)果

測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

測(cè)量重復(fù)性引入的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2）數(shù)字示波器的垂直分辨力

當(dāng)測(cè)試階梯波第1臺(tái)階時(shí)，調(diào)整數(shù)字示波器的偏置和垂直靈敏度，最終將數(shù)字示波器的靈敏度設(shè)置為2 mV/div（滿量程為16 mV），將數(shù)字示波器的采集模式置于“高分辨率”，此時(shí)數(shù)字示波器的垂直分辨力為

由垂直分辨力引入的不確定度服從均勻分布，不確定度B類分量為

3）數(shù)字示波器的水平光標(biāo)分辨力

測(cè)試階梯波第1臺(tái)階時(shí)，數(shù)字示波器的靈敏度設(shè)置為2 mV/div，此時(shí)打開(kāi)數(shù)字示波器的水平光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)第1臺(tái)階波的直方圖峰值點(diǎn)時(shí)，光標(biāo)的分辨力為25 μV，由水平光標(biāo)分辨力引入不確定度服從均勻分布，不確定度B類分量為

4）高精度直流電壓源的電壓輸出誤差

高精度直流電壓源2 553 A在100 mV點(diǎn)的輸出誤差為

電壓輸出誤差引入的不確定度服從均勻分布，誤差限半寬度為10 μV，不確定度B類分量為

按上述同樣的分析評(píng)定方法可得到階梯波其他臺(tái)階電平測(cè)量結(jié)果的不確定度如下：

3 間接比較式校準(zhǔn)方法的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證間接比較式校準(zhǔn)方法的合理正確性，在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室用一臺(tái)示波器校準(zhǔn)儀9500作為標(biāo)準(zhǔn)源替代圖2中的專用測(cè)試設(shè)備，校準(zhǔn)儀輸出標(biāo)準(zhǔn)方波（一階臺(tái)階波），幅值范圍 100 mV～5 V ±(0.1% 設(shè)置值+10 μV），頻率范圍 100Hz～10 kHz，用上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方波幅值校準(zhǔn)結(jié)果

從表中結(jié)果看，采用間接比較式校準(zhǔn)方法所得到的“測(cè)量值±U”的誤差均不超過(guò)±0.25%。因此使用DSOX6002A數(shù)字示波器和2553 A高精度直流電壓源組合在一起作為標(biāo)準(zhǔn)，采用間接比較式校準(zhǔn)方法其系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)于±0.25%的水平，滿足空空導(dǎo)彈專用測(cè)試設(shè)備高精度階梯波電平±1%的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

校準(zhǔn)方法的正確性直接影響著專用測(cè)試設(shè)備參數(shù)指標(biāo)的判定，進(jìn)而影響著空空導(dǎo)彈產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前已有多套空空導(dǎo)彈專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)規(guī)范采用了間接比較式校準(zhǔn)方法并獲評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)，該校準(zhǔn)方法已應(yīng)用在了空空導(dǎo)彈專用測(cè)試設(shè)備高精度階梯波電平的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)便易行，既能觀察波形細(xì)節(jié)又能保證校準(zhǔn)結(jié)果質(zhì)量，能對(duì)型號(hào)產(chǎn)品起到良好的計(jì)量保障作用。