浅析示波器校准仪方波信号的测量方法

张正娴

（上海航天808所 201100）

方波是一种非正弦的波形，通常会用于电子信号处理。理想方波只有高和低两个值，分别对应1和0两个值，占空比是方波值1或者0占一个周期的时间比例，真实理想方波的占空比是50%——即高值和低值占的时间一样。在以往的测量过程中，由于用数字多用表的交流电压测量功能可以直接测得被测方波电压的有效值，根据公式（1）则可以换算得到被测示波器校准仪输出的方波峰峰值

但是，由于系统电路的限制，实际应用中不可能产生理想的占空比50%的方波，另外，方波在高低两个值之间转换时，理想方波值的转变应是即时的，但是实际产生过程中会出现过阻尼和欠阻尼现象，也就是通常所说的高低电平转换过程中的波形畸变，如果直接测量，运用理想状态下的占空比进行换算测量的话，容易造成较大的测量误差，从而使得测量结果超差，对量值的传递造成影响。

1 方波测量方法

1.1 测量方法

1.1.1 数字表直读法

a） 用计数器分别测量出方波信号脉冲幅度50%处时间宽度tk和脉冲周期T，按公式（2）计算校准电压的占空比θ

b） 按图2连接仪器数字多用表置ACV测量功能，量程置合适位置，根据数字多用表的测量有效值读数及公式（3）计算方波电压误差

图2 方波电压测量

θ —被测方波实际占空比

UR—数字多用表测量有效值

1.1.2 直流电平读取法

按图3连接仪器

图3 方波电压测量

示波器校准仪输出频率1kHz，脉冲宽度0.5ms的方波信号。数字多用表置直流采样功能，量程置自动，示波器校准仪的外触发输出端连接到数字多用表的外触发输入端，数字多用表在外触发信号的下降沿触发后进行数模转换，该转换同时又可以由数字多用表的延时命令设置的时间决定而发生，表4罗列了改变被测方波电压的频率，数字多用表的相应各项功能设置

表1 3458A直流采样设置

分别测量方波校准电压的底部和顶部电压值，读取数字多用表测量结果，根据公式（4）计算方波校准电压误差

为了得到多次测量平均值，可以用数字多用表3458A的RMATH MEAN功能键,调用平均值计算，将计算结果作为最后的测量值。

1.2 测量结果

1.2.1 数字表直读法

表2 数字表直读法测量结果（输入频率1kHz）

1.2.2 直流电平读取法

表3 直流电平读取法测量结果（输入频率1kHz）

1.3 测量结果的不确定度评定

1.3.1 数字表直读法

选取1V，1kHz典型点进行测量结果不确定度分析

不确定度来源：

a)A类不确定度分量：重复性测量，即测量值分散性引入的不确定

b)B类不确定度分量：主要考虑标准测量装置数字多用表测量不准引入的不确定度 2u ，计数器测量占空比所引入的不确定度可忽略。

表4 示波器校准仪1V方波信号重复性数据表

b)数字多用表给出的相应量程的交流电压指标可以从表2中获得，得到准确度指标为±0.00027V，满足均匀分布，取k=3

d)取k=2，则扩展不确定度U=2 uc=2×1.6×10-4V=3.2×10-4V

1.3.2 直流电平读取法的不确定度计算

选取1V，1kHz典型点进行不确定度分析

不确定度来源：

a)A类不确定度分量：重复性测量，即测量值分散性引入的不确定度1u

b)B类不确定度分量：主要考虑标准测量装置数字多用表测量不准引入的不确定度2u不确定度分量计算：

表5 示波器校准仪1V方波信号重复性数据表

2 测量结果及不确定度评定比较：

2.1 测量结果误差比较

表6 两种方法的测量结果误差比较

2.2 测量结果不确定度比较

表7 两种方法的测量结果测量结果不确定度比较

5 结束语

本文分别选用了两种比较合理的测量方法，对示波器校准仪的方波信号进行了测量，并得出测量结果，分析比较了测量结果误差与测量不确定度，克服了原先的方波测量方法中存在的不足，保证了脉冲领域方波参数量值的传递溯源的有效性，可以正确的对各类示波器的垂直灵敏度参数进行计量校准，同时，在分析两种方法的过程中，也得出采取直流电平读取法测量方波的准确高效性，在接下去的工作中，可以考虑使用自动化的测试方式，将示波器校准仪的方波测量做到一气呵成，以节省测量时间，提高测量效率。

［1］ 郁月华、杜建国等 JJG278-2002示波器校准仪检定规程

［2］ 梁驹 示波器校准仪方波电压的检定方法 航天标准化2005年第二期

［3］ 陈永利 示波器校准仪方波幅度测量结果的不确定度分析计量技术