不同型号示波器校准仪方波幅度测量分析

蒙立光

摘要：示波器校准仪是一种可产生精密的正弦（稳幅、双通道）信号、方波（直流、电压）信号、时标（三角波、子刻度方波/正弦波）和快沿信号等，可校准多种模拟和数字示波器，具有通用性、程控性、先进性和准确度的信号源仪器。本文对不同型号示波器校准仪三种方波幅度测量结果进行了分析。

关键词：示波器校准仪；方波幅度；测量

引言

随着电子测试计量技术的发展，示波器校准仪作为脉冲参数量值传递过程中应用最广泛的环节之一，其规范性、高效性得到了飞速的发展，但示波器自身误差会对被测信号产生影响，导致严重的产品质量问题，而且其校准项目复杂，参数众多，耗时费力；校准技术难度大，特别是对方波电压幅度的校准；方波电压的量值传递关系不清晰，因此，对示波器校准仪的校准工作是无线电计量领域中的难点。

1.现有的校准方法

根据相应的检定规程和现有文献，并结合脉冲无线电实验室的仪器特点，归纳为三种校准方法。

1.1高采样数表法（方法一）

该方法的原理是通过数字多用表3458A同步示波器校准仪的触发信号，在同步后数字多用表以积分的方式采集示波器校准仪输出的方波的顶量值和底量值。按图1连接仪器。数字多用表设置为DCV档，设置积分周期为“0.01”，合理调节触发延迟，分别测得方波信号的顶部和底部电压值，按照方波幅度定义，顶部电压减去底部电压即为方波幅度。

1.2脉冲幅度比较仪法（方法二）

该方法的原理是传统的直流电压比较法。将示波器校准仪输出的方波信号的顶部和底部电压与脉冲幅度比较仪输出的直流电压进行比较，得到准确的方波顶量值和底量值。

数字多用表3458A监测精密脉冲幅度比较仪PAC-11输出的可调直流电压，分别将示波器校准仪输出给定方波电压的上限值与下限值（即方波的顶量值与底量值），通过斩波器与脉冲幅度比较仪输出的可调直流电压一起输入高灵敏示波器SR12，经过差分放大后进行比较。通过不断粗调或者细调PAC-11直流电压值，使得高灵敏示波器SR12上两波形重合达到平衡。此时，读取数字多用表的实时直流电压监测值，即为被测方波幅度的顶量值或底量值，按照方波幅度定义，通过顶量值减去底量值即为方波幅度。

示波器校准仪检定规程中提出，该方法适用于方波校准电压最大允许误差超过±0.2%的校准仪。按图2 连接仪器。

1.3数字多用表交流测量法（方法三）

该方法的原理是通过数字多用表在交流采样模式下测量得到方波电压有效值，计算得到方波等效面积，来测量得到方波幅度。但使用该方法有前提，即通过数字存储示波器观测示波器校准仪的方波信号为标准方波，即其顶部应当平坦，无明显上冲且过渡时间短，要求占空比为1∶2。

连接图如图3，将数字多用表置于ACV 档，负载阻抗匹配，被测标准方波幅度记为U，数字多用表显示电压有效值记为U1，则被测方波幅度为

2.常用示波器校准仪特点

现今有如下几种比较常用的示波器校准仪：NF4608B/4609B，POC-2；FLUKE 的5520A；FLUKE的9500B。不同型号的示波器校准仪在方波幅度最大允差、外触发功能方面都各有特点。如表1所示。

3.常用示波器校准仪测量方波幅度方法的分析

示波器校准仪NF4608B/4609B、POC-2，由于其无外触发功能，不适合高采样数表法；根据其最大允差超过±0.2% 的特点，可采用脉冲幅度比较仪法测量方波幅度或數字多用表交流测量法。示波器校准仪5520A 和9500B 都具备最大允差优于±0.2%且具有外触发功能的特点，可选择高采样数表法测量方波幅度或数字多用表交流测量法。试验表明，当外触发信号的脉冲幅度大于1V，才能外触发3458A数字多用表，示波器校准仪FLUKE9500B的外触发信号是过零脉冲，不能直接触发3458A，需外接一个具有电平转换功能的模块。将校准仪的同步触发信号转换为有效的触发信号，确保数字多用表实现外触发响应，故9500B示波器校准仪需通过一个电平转换模块才能使用高采样数表法。但该电平转换模块通常实验室并不具备，需自制。

经过测量和计算，示波器校准仪NF4608B/4609B、POC-2在脉冲幅度比较仪法和数字多用表交流测量法两种方法下，测得的方波幅度数据不一致；5520A用高采样数表法和数字多用表交流测量法两种方法测得方波幅度数据不一致；9500B用此两种方法测得方波幅度数据一致。见表2。

将各型号示波器校准仪输出到数字示波器方波幅度均调整为1V，NF4608B/4609B、POC-2、5520A、9500B方波波形占空比均为1∶2的前提下，其前沿过渡时间和后沿过渡时间不一致，而9500B前沿、后沿过渡时间非常一致，见表3。数字多用表交流测量法原理其实是测量方波的等效面积，对于9500B示波器校准仪产生的方波，其前沿、后沿过渡时间一样，正好补偿成一个标准方波，等效面积不变，所以高采样数表法和数字多用表交流测量法下的9500B 测量出的方波幅度数据一致，而其他型号的示波器校准仪前沿、后沿过渡时间不一致，方波面积无法补偿，会造成数字多用表交流测量法测量方波幅度数据偏离真实值，NF4608B/4609B、POC-2、FLUKE5520A不建议使用数字多用表交流测量法。

为此，根据不同型号示波器校准仪的外触发功能的有无、最大允差值、波形特点，总结了各型号示波器校准仪对应该选取的方波幅度校准方法，如表4所示。

4.结语

示波器校准仪是一种高精度测试计量仪器，能校准不同类型的模拟/数字示波器。随着电子测试技术的发展，用户对示波器输出方波幅度测试提出了更高要求，只有示波器校准仪测量方波幅度方法进行研究探讨，保证示波器校准仪的性能稳定及测试测量的准确性，才能推进示波器的研制、生产，促进无线电计量领域的可持续发展。

参考文献：

[1]詹国钟，李庄伟.示波器校准仪方波幅度测量基于高采样数表法的实现[J].计量技术.2011（10）

[2]陈衷，潘光斌.数字示波器网络化校准测试技术研究[J].国防技术基础.2007（02）