关键词：数字示波器；校准；测量；不确定度评定
引言：近年来，伴随着我国科技水平的显著提高，仪器仪表于工业发展过程中所发挥的作用愈发凸显，而在实际仪器仪表应用过程中，人们往往需以严格的校准标准来保障其应用的可行性和可信性。在此背景下，我国针对仪器仪表测量不确定度已经出台了包括JJF1059.1-2012在内的技术标准文件，这一方面为仪器仪表校准作业的准确进行提供了保障，另一方面也验证了评定测量不确定度对于保障仪表质量的重要意义。对此，围绕数字示波器校准及测量不确定度评定进行具体分析，既符合数字示波器的应用要求，又满足工业测量仪器的发展需求。
1、数字示波器校准及测量概述
1.1数字示波器的基本概念和主要类型
数字示波器是集数据采集、A/D转换等一系列技术为一体所诞生的高性能示波器，其中，数字示波器具备多级菜单，能够满足不同用户的不同功能需求，尤其是以信息存贮为主要功能数字示波器的应用，不仅能够实现对于波形的实时存储，同时也能在长期保存波形数据的基础上满足使用人员的技术需求。
此外，针对常见数字示波器种类，除上述提到的用于信息存贮的数字存贮示波器外，数字荧光示波器以及混合信号示波器同样有着非常广泛的应用范围，其中，前者多用于反馈多层次辉度的长时间信号，后者则多用于就数模混合信号进行分析。
1.2数字示波器校准及测量的价值
在实际数字示波器使用过程中，人们对于数字示波器的要求往往体现在两方面，其一为基本测量性能，其二为数据分析处理能力。其中，以高档数字存储示波器为例，需就包括波形极值、最大值、最小值、顶值、中值在内的多个参数进行测量，且测量过程不仅包含了时域测量、频域测量等多个测量类型，同时也涵盖了统计分析等多项测量功能。
在此基础上，抛开过多的测量项目往往给校准实验室带来较大的计量工作量和计量成本不谈，关于抖动、统计分析等方面测量功能存在的测量问题，仍是当前阶段数字示波器校准及测量工作面临的关键难题。因此，从某种意义上来看，就现有的数字示波器校准及测量体系进行完善，不仅是保障数字示波器校准工作准确性的关键所在，同时也直接关乎到数字示波器的正常使用。
2、数字示波器校准的技术依据
针对本文所研究的数字存储示波器，以JJF1057-1998《数字存储示波器校准规范》以及GJB7691-2012《数字示波器检定规程》作为技术依据进行示波器校准，同时，校准环境应满足温度15~25℃以内和相对湿度≤80%条件，并借助示波器校准仪9500B来完成各项校准作业。
3、数字示波器校准的方法和流程
3.1数字示波器幅度校准
针对数字示波器幅度校准过程，首先，调整示波器校准仪9500B为待机状态，并在示波器开机至规定时间后调整其为缺省状态；其次，调整示波器为实时等效，并设置自动采样32次，其中，按照表1要求设置示波器及示波器校准仪9500B的相关参数；最后，借助示波器测试菜单进行平均值测试，并重复上述步骤以校准每个示波器通道的幅度。
表1 示波器和示波器校准仪参数设置要求
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3.2数字示波器时基校准
对于数字示波器时基校准层面，目前多个示波器生产厂家均已经制定了严格的校准测量标准，例如，力科公司和泰克公司分别采用内部时钟方法和延迟时间方法进行校准。在此基础上，我们以泰克公司的延迟时间测量方法就数字示波器进行校准。其中，设置数字示波器长时间采样比率与延迟时间的技术指标均为1.0×10-3，具体校准步骤如下：
首先，连接稳幅信号发生器与数字示波器，并设置信号发生器的周期为10ms，即每10ms发出一次信号，同时，设置示波器的垂直幅度为500mV/div；其次，将示波器的信号幅度调整为屏幕的2.5至3格以内，并通过改变示波器的时基设置来满足预期的测量要求，一般应确定为500μs/div；最后，通过调整延时方式和设置延时时基来检查示波器与水平轴中心位置的偏移格数，若偏移距离超过2divs，则判断示波器不满足准确度要求。
4、数字示波器校准结果测量不确定度评定分析
4.1数字示波器幅度校准的测量不确定度评定分析
首先，针对校准过程构建数学模型，同时考虑到在严格的校准实验室环境下环境条件对于校准结果的影响可以忽略，因此考虑示波器重复性测量和标准器引入的不确定度。其中，借助示波器校准仪对一台示波器TDS 2022B的100mV档进行连续测量10次，得出测量结果均位于700.286mV到701.427mV之间。在此基础上，按照平均值计算法得10次测量的电压平均值，再根据A类评定方法得到标准不确定度为0.361mV。另一方面，根据标准器9500B的技术指标，并按照B类评定，得到标准信号引入的不确定为0.115mV，最终以不确定度计算公式确定其扩展不确定度为0.76mV。
4.2数字示波器时基校准的测量不确定度评定分析
同幅度一样，由于在校准实验室标准试验环境下环境因素对于校准结果的影响几乎不大，因此同样考虑示波器重复性测量和标准器引入的不确定度。利用示波器校准仪对示波器进行10次重复性测量后得出测量结果最高为2.0×10-5，最低为1.0×10-5，且平均值为1.5×10-5，根据A类评定方法得到标准不确定度为3.33×10-6。根据标准器说明书的技术指标，并按照B类评定，得到标准信号引入的不确定为1.44×10-7。因此，再根据不确定度计算公式可得3.33×10-6和6.7×10-6分别为字示波器时基校准测量结果的合成不确定度和扩展不确定度。
5、结束语
综上所述，通过对数字示波器幅度及时基的校准，得出数字示波器校准作业的主要流程和要点，从不确定度分析来看，要全面的考虑其影响因素，确保得到正确的测量结果。此外，基于现阶段数字示波器的广泛应用前景，需进一步就数字示波器的校准标准进行完善，并严格管理校准测量的不确定度评定过程，进而以此提升数字示波器校准的可信度，并确保数字示波器正常使用。
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论文作者: 张帆 范蓉蓉
论文发表刊物:《中国西部科技》2020年5期
论文发表时间:2020/4/30
标签：示波器论文; 数字论文; 测量论文; 不确定论文; 标准论文; 幅度论文; 实验室论文; 《中国西部科技》2020年5期论文;