衰减振荡波振荡频率的测量不确定度分析

孙晶星　许金祥　孙睿阳

摘 要：目的：介绍衰减振荡波振荡频率测量不确定度分析和评定过程。方法：结合实例，讨论阻尼振荡波振荡频率主要的不确定度来源。结果：针对振荡频率为100kHz的阻尼振荡波，水平时间刻度分别取2μs/div、4μs/div及5μs/div时，振荡频率的相对扩展不确定度分别为1.63%、3.24%及4.05%。结论：测量振荡频率时应当尽可能使振荡周期波形完全展开在示波器屏幕上，可以减少人员读数引入的不确定度。

关键词：衰减振荡波；阻尼振荡波；振铃波；振荡频率；不确定度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.010

1 引言

衰减振荡波包含阻尼振荡波和振铃波两大类：出现在设备端子上的阻尼振荡波主要是在电厂、高中压变电站及重工业设备中由于开关操作出现重复而引起的；振铃波是一种由于电气网络和电抗负载的切换以及电源电路故障和绝缘击穿或雷击而感应到低电压电缆中所产生的典型的震荡瞬态现象，通常出现在供电网络（高压、中压、低压）以及控制、信号线中。

阻尼振荡波发生器和振铃波发生器是电磁兼容抗扰度试验中用到的试验仪器之一，广泛应用于研发、制造等部门。两者都是主要由直流高压发生器、充电电路、振荡电路线圈、阻抗转换网络、控制及信号显示等部分组成（内置单相/三相电源线耦合/去耦网络）。

运行状态下的电子电气设备和系统遭受阻尼振荡波或振铃波的干扰，可能影响可靠运行，因此有必要对其进行阻尼振荡波和振铃波抗扰度实验。振荡频率是衰减振荡波的一个基本参数，本文讨论校准衰减振荡波发生器输出波形的振荡频率测量不确定度。

2 测量原理与方法

同连接待校准阻尼振荡波发生器、高压差分探头和示波器，按照差分探头的衰减比例，可以估算所测电压的大小（如：待校阻尼振荡波发生器输出为+1kV，衰减比例×1000，那么输入到示波器端口的开路电压第一峰值电压为+1V，示波器垂直分度选择200mV/div）。调整示波器水平参数设置（如振荡频率选择100kHz，水平分度选择4μs/div或者5μs/div；如振荡频率选择1MHz，水平分度选择400ns/div或者500ns/div），让波形的第一峰、第二峰、第三峰、第四峰完全显示在示波器屏幕上，记录阻尼振荡波波形第三过零点与第五过零点之间的时间间隔[1，2]，求倒数得到振荡频率。

为了减小人员读数误差引入的不确定度，也可以调整水平参数设置（如振荡频率选择100kHz，水平分度选择2μs/div；如振荡频率选择1MHz，水平分度选择200ns/div），让波形的第二峰、第三峰、第四峰完全显示在示波器屏幕上，记录阻尼振荡波波形第三过零点与第五过零点之间的时间间隔，求倒数得到振荡频率。

T1——上升时间（75 ns）；

T——振荡周期（对于100 kHz，10μs；对于1 MHz，1μs）

连接待校准振铃波发生器、高压差分探头和示波器，按照差分探头的衰减比例，可以估算所测电压的大小（如2.1中设置），调整示波器水平参数设置，让波形的第一峰、第二峰、第三峰完全显示在示波器屏幕上（如振荡频率100kHz，水平分度选择2μs/div），记录振铃波形第二过零点与第四过零点之间的时间间隔[3，4]，求倒数得到振荡频率。

T1——上升时间（0.5μs）；T——振荡周期（10μs）；

示波器采样方式设定。如果示波器采样率足够高，示波器可以选择实时采样方式（real-time sampling mode）；一般情况下示波器都具有内插值功能，测量正弦特征的脉冲波形，示波器应当选择正弦插值方式（sin（x）/x interpolation）[5，6]；而测量非正弦特征的脉冲波形，示波器应当选择线性插值方式（linear interpolation）[5，6]，并不是像文献[7]中所论述的都需要使用正弦插值的方式。

对于阻尼振荡波和振铃波而言，测试采用正弦插值方式。

3 阻尼振荡波发生器频率测量结果不确定度的评定。

3.1 建立数学模型

式中：--被测发生器脉冲波形单个振荡周期，也就是波形第三过零点与第五过零点之间的时间间隔。

式中：T--示波器测得单个振荡周期；

--示波器时间间隔引入的影响量；

--示波器采样速率引入的影响量；

--人员读数引入的影响量。

3.2 单个振荡周期不确定度主要来源于以下几个方面

示波器测量时间间隔误差引入的不确定度（包含示波器时基准确度引入的不确定度），示波器采样速率引入的相对不确定度，测量人员读数引入的不确定度，重复测量引入的测量结果不确定度。其标准不确定度分别为：u1、u2、u3、uA；相对不确定度分别为u1rel、u2rel、u3rel、uArel。

参考文献：

[1]IEC61000-4-12：2002 Electromagnetic compatibility（EMC） Part 4： Testing and measurement techniques-Section 12： Oscillatory waves immunity test.

[2]GB/T 17626.12-1998，电池兼容 试验和测量技术 振荡波抗扰度试验.

[3]Electromagnetic compatibility （EMC） - Part 4-12： Testing and measurement techniques - Ring wave immunity test （IEC 61000-4-12：2006）.