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示波器检定装置不确定度评定

2022-05-21姜琳,陈向荣,刘群,梁钰坤,赵航

今日自动化 2022年2期
关键词:示波器不确定度

姜琳,陈向荣,刘群,梁钰坤,赵航

[摘    要]测量不确定度是现代计量科学理论的重要组成,是实验数据客观性和有效性的重要参考。可以通过对测量结果不确定度评定,判断计量标准是否符合国家检定系统和国家计量检定规程的要求,得出计量标准是否可以开展所申请项目的检定校准工作的结论。主要就不确定度的评定做了详尽的分析,并给出了相应的算法。

[关键词]示波器;不确定度;计量标准

[中图分类号]TH712 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487(2022)02–0–03

Evaluation and Analysis of Uncertainty of Digital Oscilloscopes

Jiang Lin,Chen Xiang-rong,Liu Qun,Liang Yu-kun,Zhao Hang

[Abstract]Measurement uncertainty is an important component of modern metrological science and an important reference for the objectivity and validity of experimental data. The purpose is to directly judge whether the metrological standard conforms to the requirements of the national verification system and national metrological verification regulations according to the analysis results, and make a conclusion whether the metrological standard can carry out the verification and calibration work of the applied project. The evaluation of uncertainty is analyzed in detail and the corresponding algorithm is given.

[Keywords]uncertainty;digital oscilloscopes;metrological standard

示波器因其優越的性能指标、可程控数字化通信及高速发展趋势,在科研、试验、生产和维修等各个领域应用非常广泛,且发挥着很重要的作用[1]。

示波器在使用前,必须定期对直流增益、水平时基、频带宽度和上升时间等参数进行校准或检定,避免示波器出现无法分辨高频变化,幅度失真,边缘消失,细节数据被丢失等情况[2]。计量标准要想对设备进行校准或检定,必须通过不确定度分析计算合格后,才能进行量值传递。

1 示波器检定装置不确定度分析必要性

9500B示波器校准仪产生精密的正弦信号、方波信号、快沿信号、直流电压信号和时标信号,可以校准3.2 GHz以下的模拟和数字示波器,是目前主流示波器实验室标准器的首选。本实验室于今年购置9500B示波器校准仪作为计量标准来检定模拟和数字示波器,主标准器的更换或检校过程中发现数值跑偏,需要重新进行不确定度的评定,结果为合格才能作为计量标准进行量值传递。评定主要分为两部分:计量标准的不确定度评定和测量结果的不确定度评定。由于示波器检定装置是单台仪器作为计量标准,无法进行计量标准的不确定度评定,本次评定为选择被测设备进行测量结果的不确定度评定。

2 不确定度分析方法简述

不确定度的评定方法是不确定度理论的核心问题,依据相关规程进行计量标准的不确定度评定,不确定度分量包括A类、B类。A类不确定度是通过观测列数据求得标准偏差即通过重复性算出标准不确定度;B类不确定度无论是系统效应还是随机效应都应该对其分析,即除重复性外其他引起的偏差。合成不确定度由A类、B类分量合成,合成不确定度乘以扩展因子得到扩展不确定度。

3 示波器检定装置不确定度分析

通过对直流增益、水平时基、频带宽度和上升时间四个参数的评定,给出了相应的算法。根据分析结果,判断计量标准是否符合国家检定系统和国家计量检定规程的要求,做出计量标准是否可以开展所申请项目的校准或检定工作的结论。

3.1 测量过程简述

3.1.1 测量环境

测量环境条件:温度20.0 ℃;相对湿度40.0%。

3.1.2 测量标准

示波器检定装置由福禄克9500B示波器校准仪和9530有源信号头组成。

3.1.3 被测对象

普源精电DS2202数字示波器(编号:DS2A152401357)。

3.1.4 测量方法

采用直接测量法,测量示波器的直流增益、水平时基、频带宽度和上升时间,依据相关规程进行测量结果的不确定度评定。

3.2 相关参数不确定度评定

3.2.1 直流增益

9500B示波器校准仪具有无可比拟的准确度,9500B以5位数字精度输出直流或10~100 kHz的方波信号,幅值可达200 V,准确度达0.025%,足够校准垂直灵敏度为12比特至14比特的数字式示波器。

(1)测量重复性引入的不确定度。

示波器校准仪输出分别设置20 mV/div、200 mV/div、5 V/div,按A类评定,根据测量数据,应用贝塞尔公式计算重复性,然后计算标准不确定度,计算结果见表1。

(2)示波器校准仪幅度误差引入的不确定度。

由通用仪器校准源说明书给出技术指标为±(0.025%+25 μV),测量时为均匀分布k=,计算出各档位的不确定度uB。

读数为R时,uB=(0.025%×R+25 μV)/,计算结果见表1。

(3)环境条件引入的不确定度。

环境温度、湿度控制在检定规程要求的范围内,其影响可忽略不计。

(4)合成不确定度:。

(5)扩展不确定度:U=kuC,其中k=2。

3.2.2 水平时基

有源信号头产生的快沿幅度从5 mV到3 V调整,可以校准示波器输入放大器的各灵敏度档,甚至是最高灵敏度档,内部的波形滤波器可以保证输出快沿波形形状一致。

(1)测量重复性引入的不确定度。

用时间延迟法测量水平时基误差,连续测量6次,时标用10 ms,水平扫描时间100 ns测量数据为-110 ns,-110 ns,-110 ns,-110 ns,-110 ns,-110 ns,按A类评定,uA=0。

(2)通用仪器校准源时标误差引入的不确定度。

按B类评定,据说明书给出的技术指标为2.5×10-7,按均匀分布k=,10 ms时,uB1=(2.5×

10-7×10)/=1.44 ns。

(3)人眼判读误差分辨力引入的不确定度。

按B类评定,人眼可以分辨1/4小格,在100 ns/div时,分辨率为:100/(5×4)=5 ns按均匀分布k=计算:uB2=5/=2.89 ns。

(4)环境条件引入的不确定度。

环境温度、湿度控制在检定规程要求的范围内,其影响可忽略不计。

(5)合成不确定度=3.2 ns。

(6)扩展不确定度U=kuC=6.4 ns,其中k=2。

3.2.3 频带宽度

通用仪器校准源分别输出120 mV、300 mV、600 mV,100 MHz信号,数字示波器分别在20 mV/div、50 mV/div、100 mV/div档位测量6次。

(1)测量重复性引入的不确定度。

按A类评定,根据测量数据,应用贝塞尔公式计算120 mV、300 mV、600 mV测量不确定度uA。

(2)幅度测量引入的不确定度。

根据说明书,稳幅信号准确度为±4%,按均匀分布k=计算:

读数为R时,uB=(4%×R)/,计算结果见表2。

(3)环境条件引入的不确定度。

环境温度、湿度控制在检定规程要求的范围内,其影响可忽略不计。

(4)合成不确定度:。

(5)扩展不确定度:U=kuC,其中k=2。

3.2.4 上升时间

9500B发出的快沿脉冲由9530有源信号头输出,9530有源信号头可输出150 ps的快沿脉冲。尽管500 ps的快前沿脉冲可以校准目前市场上大多数的高频示波器,9530的150 ps快前沿脉冲不但可以校准这些示波器的最高指标,还为校准今后推出的新型示波器做好了准备。

(1)测量重复性引入的不确定度。

对示波器的上升时间连续重复测量6次,得到6个测量值分别为3.504 ns、3.503 ns、3.501 ns、3.498 ns、3.500 ns、3.496 ns,用贝塞尔公式计算测量重复性引入的不确定度:

uA=s(x)/=1.2×10-3 ns

(2)数字示波器建立时间引入的不确定度。

示波器的上升时间约为3.5 ns,9500B通用仪器校准源的标准信号约为150 ps,建立时间与标准信号之比约为23,符合均匀分布,查表得:

(3)数字示波器时基不准引入的不确定度。

示波器的时基为1×10-4,符合均匀分布。

(4)数字示波器上升时间读数分辨力引入的不确定度。

数字示波器上升时间的分辨率为0.001 ns,符合均匀分布。

(5)環境条件引入的不确定度。

环境温度、湿度控制在检定规程要求的范围内,其影响可忽略不计。

(6)标准不确定度:≈0.063 ns

(7)扩展不确定度:U=kuC=0.13 ns,其中k=2。

4 测量结果不确定度报告

(1)直流增益不确定度见表3。

(2)带宽不确定度见表4。

(3)时标:-110 ns,U=6.4 ns(k=2)。

(4)上升时间:3.5 ns,U=0.13 ns(k=2)。

示波器检定装置符合国家检定系统和国家计量检定规程的要求,计量标准可以开展所申请项目的校准或检定工作。

5 结语

主要对示波器检定装置进行了测量结果不确定度分析,根据实验室实际情况分析,得出最终结果。实际上对于电子专用测试设备测量结果,其测量不确定度的来源很多,除了测量设备本身外,测量人员、测量方法和被测对象的不完善也是不确定度的主要来源,因此在实际评定电子专用测试设备测量结果不确定度时要全面考虑灵活运用,充分发挥计量保证作用,更好地服务于科研生产。

参考文献

[1] 李宪优,王玲,阮林波,等.数字示波器自动检定方法与实现[J].装备指挥技术学院学报,2010,21(2):4.

[2] 叶培德.测量不确定度理解评定与应用[M].北京:中国质检出版社,2013.

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