数字示波器的频带宽度校准检定方法

摘要

数字示波器频带宽度的校准检定方法，由计算机控制示波器校准仪对被校数字示波器进行设置并校准：示波器校准仪发出信号的两个参量：频率f和幅度U

说明书

技术领域：

本发明涉及有关全自动检定校准数字示波器频带宽度方法。

背景技术：

为了方便快速的对TDS3000 & TDS3000B系列的各种数字示波器不受时间和场地的限制进行校准，并实现全自动校准。目前国内外校准检定数字示波器的主要技术文件：(1)IEC Standard，Publication 351-1，Expression of the properties of cathode-ray oscilloscopes(part1：General)，International Electrical Commission，1976(IEC标准351-1，阴极射线示波器定义(第一部分：通用部分)，国际电工委员会，1976)；通用阴极射线示波器的国际标准，规定了模拟示波器的指标定义及测试方法；(2)IEEE Std 1057-1994，IEEE Standard for Digitizing WaveformRecorders(IEEE标准，1057-1994，数字波形记录仪IEEE标准)；美国电气与电子工程师协会制订的美国行业标准，对数字波形存储记录仪的指标和测试方法做出规定；(3)GB/T 15289-1994，数字存储示波器通用技术条件和测试方法。专门针对数字存储示波器的编写的国家标准；(4)JJF 1057-1998数字示波器校准规范，提出数字化特征有关的指标，并给出一些参数的测量方法。

综上所述，目前国内还未出台针对数字示波器的检定规程。绝大多数计量校准机构还是依旧沿用模拟示波器检定规程对数字示波器进行校准，用这一方法的好处是：校准项目固定，技术成熟，误差计算准确可靠；可执行性强，在一定程度上能反映数字示波器的性能指标；但也存在不足，由于数字示波器和模拟示波器工作原理和显示方式上的不同，两者有着完全不同的幅度和时间测量系统，同时数字示波器兼具多种分析、处理和触发功能，如果简单照搬模拟示波器检定规程，无法体现数字示波器数字化的特征，不利于数字示波器计量校准技术的发展。

示波器是图形化的仪器，它与数表等数字化显示的仪表有所不同，在对同一个信号进行测试时，并不是象数表那样，将信号的某项参数以数字的形式表示，而是将它用波形的形式显示在屏幕上，这样非常直观，但也给我们校准示波器带来了不便，因为我们无法对示波器所显示的波形直接定量的进行分析，只能依靠屏幕上的刻度，对照刻度来观察示波器的显示误差。因此，对示波器校准的传统方法一直是必须依靠人眼对显示在屏幕上的波形进行观察，根据屏幕的刻度来判断波形的误差，进而判断示波器显示图象的优劣。这个过程比较复杂，对示波器和校准仪的操作步骤非常繁琐，初学者很难记清楚操作和设置的步骤，同时，工作量也比较大，一旦开展大规模校准，容易产生视觉疲劳，且人为误差影响量较大，不同检测人员对同一台数字示波器校准，有可能会因为其认知或者肉眼辨别力不同而影响校准结果。

数字示波器则有很大的发展。相对于传统的模拟示波器来说，由于数字示波器本身自带自动测量功能，不仅可以显示波形，还可以对波形的很多参数提供测量数据，就像可以显示波形的“数表”，因而它可以对显示波形进行定量。因此也需要全新的校准方式，如果可以用数字示波器定量的分析信号波形的参数，用自动测量功能来分析信号波形，那么，就可以将数字示波器和电脑，校准仪连接起来，为实现全自动校准提供了可能。

对数字示波器来说，虽然在仪器面板上标明模拟带宽为100MHz或者300MHz或500MHz，但实际真正的模拟带宽却各不相同，带宽会因“机”而异。型号相同的数字示波器带宽同样标明为500MHz，但可能某台示波器带宽实测值可达600～700MHz，而另一台则只有520MHz上下。国内外很多数字示波器自动校准软件在校准数字示波器频带宽度时，其方法原理相对比较简单，示波器校准仪发出频率为数字示波器带宽f0的正弦波信号，如示波器带宽标明为500MHz，示波器校准仪便发出频率为500MHz的正弦波信号给数字示波器，只要数字示波器幅度值大于U_f0，即给出“Pass”的结论。

发明内容：

本发明目的是：提供一种自动校准数字示波器频带宽度的方法，主要解决现行数字示波器校准规范实现难度大的技术问题，通过本发明这种方法，可以完全按照《JJG262-1996，模拟示波器检定规程》、《JJF 1057-1998数字示波器校准规范》等的要求，对数字示波器频带宽度进行全自动校准。在数字示波器全自动校准系统中，可以对数字示波器进行自我测试(Self Test)；触发灵敏度(包括内触发和外触发)；直流增益测量准确度；方波测量准确度；频带宽度；带宽限制；瞬态响应；长周期和延迟时间测量准确度等多个项目的校准工作，校准依据完全符合《JJG262-1996，模拟示波器检定规程》、《JJF 1057-1998数字示波器校准规范》和《TDS3000B系列数字示波器技术说明书》。同时结合触发灵敏度的检定，利用数字示波器自动测量功能，可以高效完成数字示波器的主要指标的校准检定。

全自动校准数字示波器频带宽度的方法，其基本原理是和手动方法一致的。按照国家现行数字示波器校准规范中的要求，校准步骤如下：

1)示波器校准仪输出频率为50kHz的正弦波信号，微调校准仪的幅度，使数字示波器屏幕上的波形显示为整6格。

2)保持示波器校准仪输出信号的幅度不变，逐渐增加输出信号的频率，数字示波器屏幕上显示的波形高度逐渐减小，直到其高度正好为4.2格，也就是原先6格的-3dB处，则此时示波器校准仪上显示的频率值即为数字示波器的频带宽度。

此方法采用手动不难实现。但用计算机完全自动校准实现颇有难度，目前没有人能够做到。在本系统中，由计算机控制下，可以对示波器校准仪发出信号的两个参量：频率f和幅度U_f进行控制，信号输入至示波器，同时根据数字示波器幅度即时的读数，自动调整示波器校准仪输出信号频率的大小，不断调整频率的读数，从而找到数字示波器测试的幅度值落在-3dB处的频率点，作为数字示波器频带宽度的实测值。如果示波器校准仪配置了多个有源探头，则可以对多通道数字示波器同时自动校准。

全自动校准数字示波器频带宽度方法的步骤如下：由计算机控制示波器校准仪对被校数字示波器进行设置并校准：示波器校准仪发出信号的两个参量：频率f和幅度U_f输入至被校数字示波器各个通道输入端，同时根据数字示波器检测到幅度的读数，随时自动调整示波器校准仪输出信号频率的大小。当信号频率f为50kHz基准频率时，需保持频率不变，微调幅度值U_f，使数字示波器屏幕上显示的波形为整6格，这时对应-3dB处的幅度值U_f0；示波器校准仪发出频率在数字示波器标定的模拟频带宽度范围左右，保持幅度不变，调整频率值，同时每改变一次频率值，示波器均自动测量目前的幅度值，与U_f0进行比较，若大于U_f0，则增加频率，若小于U_f0，则减小频率，经过多次比较，使数字示波器波形的幅度值正好为U_f0。这时，将此时的频率点保存下来，既就是该示波器的带宽实测值。当然如果显示的波形为是其它幅度值，这时对应不同的dB处的幅度值U_f0。因为-3dB是标准上的要求，故有此选取。

上述方法通过扫频和幅度值的测量构成自动搜索的过程，为实现系统自动搜索到符合要求的频率点，设置了多层次的频率判断区间，并进行嵌套循环搜索，经过多次试验，设置了合理的判断区间，同时还可以反向循环，反向循环和正向循环共同作用，可以方便准确的自动搜索到某个符合要求的频率点。经过多台数字示波器的测试，系统性能稳定，数据重复性也比较好。

本发明的改进是：触发灵敏度的校准：利用数字示波器自动测量功能，判断被测波形能否满足要求。数字示波器垂直档级设置为500mV/格，示波器校准仪输出幅度值为500mV的正弦波信号，调节数字示波器的水平扫描设置，使波形可以稳定显示，微调示波器校准仪输出信号的幅度值，同时，采集数字示波器幅度值实测值，与500mV进行比较，如果大于500mV的正弦波信号，反馈给计算机：示波器校准仪输出信号幅度值过大，计算机发出指令，使示波器校准仪微调幅度值进一步减小，反之，则增大，直到数字示波器屏幕显示的波形的幅度值正好为500mV。

数字示波器自动校准系统的工作原理：设置好仪器各自的地址后，由控制计算机通过GPIB接口发出程控指令，校准仪和被校数字示波器据此协调地进行各项设置。在计算机控制下，由校准仪发出各种校准所需信号送到示波器各个通道输入端，进行各项参数的校准。测试数据经GPIB总线上传至控制计算机，由计算机再对数据进行处理并将校准结果打印出来，从而完成数字示波器的校准。

本发明的有益效果是：通过提出一种数字示波器的校准检定方法及自动校准系统，可以完全按照《JJG262-1996，模拟示波器检定规程》、《JJF 1057-1998数字示波器校准规范》等的要求，对数字示波器频带宽度进行全自动校准。在数字示波器全自动校准系统中，可以对数字示波器进行自我测试(Self Test)；触发灵敏度(包括内触发和外触发)；直流增益测量准确度；方波测量准确度；频带宽度；带宽限制；瞬态响应；长周期和延迟时间扫描准确度等多个项目的校准工作，校准依据完全符合《JJG262-1996，模拟示波器检定规程》、《JJF 1057-1998数字示波器校准规范》和《TDS3000B系列数字示波器技术说明书》。可以全自动校准数字示波器频带宽度，此为本系统的创新点。本发明的校准方法有所创新，不仅可按照传统的模拟示波器的方法校准了方波测量准确度，频带宽度、触发灵敏度和瞬态响应，还可根据数字示波器的特性，对直流增益准确度、长周期和延迟时间测量准确度等参数进行校准，既包含示波器传统校准方法中所体现的校准点，又增加了突出其数字化的校准项目。同时结合触发灵敏度的检定，利用数字示波器自动测量功能，可以高效完成数字示波器的主要指标的校准检定。

附图说明：

图1是本发明测量装置示意图：

图2是校准流程示意图

具体实施方式：

根据上述校准方法，本发明采用MET/CAL语言来编程。MET/CAL语言是美国仪器仪表生产公司FLUKE自行研制开发的实验室仪器控制管理平台，它满足ISO9000体系，美国国家标准ANSIZ540，ISO17025实验室认可导则和其它质量指导原则和标准的要求，它给使用者提供了一个非常强大的平台，可以在这个平台基础上，开发出适合很多校准器的自动校准程序，用来对数表或示波器或是其他各种数字测量仪器进行检测。本发明测量校正软件由三部分构成：数据库，测试软件，报表工具。数据库采用的是Sybase SQL anywhere 8，测试软件由MET_CAL Run Time、MET_CAL Track和MET_CALEditor等部分组成，测试主体是MET_CaL Run time，管理实验室设备的工具是MET_CALTrack，用来开发编程的工具是MET_CAL Editor，报表工具是采用Crystal Reports 10。其中，MET_CAL Run Time执行校准程序步骤如图2所示：首先选择程序进行预校准，在得到设备确认后根据检测步骤进行校准准备判定，当校准准备完成则进行校准，从而得到校准数据；当校准准备没有完成则再进行检测步骤运行。校准依据：本发明以《JJF 1057-1998数字示波器校准规范》为基础，参照《JJG262-1996，模拟示波器检定规程》相关技术指标，并借鉴《TDS3000B系列数字示波器技术说明书》校准方法，作为校准依据。系统配置如图1：数字示波器自动校准系统，包括PC机、示波器校准仪9500B、GPIB接口模块、GPIB线、被校数字示波器、数字示波器通信接口模块等。示波器校准仪采用美国FLUKE公司生产的9500B型示波器校准仪，性能稳定，可发出各种用来校准示波器的信号，精度和准确度都可达到示波器校准仪中领先的水平，配备的有源探头可以保证在连接到示波器的输入端时信号不会发生畸变，适合自动化校准示波器。本发明专门配备了适用于TDS3000/TDS3000B系列数字示波器的GPIB通信接口模块TDS3GV选件，用于数字示波器和计算机通信。