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[技术]一种改进的脉冲幅度比较测量法

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文章出处:《信息与电子工程》 [2007/5/12 ]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:郭伟民,陈曙光
一、引言
    脉冲信号在电子技术、核物理研究等领域有着广泛而重要的应用,脉冲幅度是脉冲信号最基本的参数之一,是准确测量上升时间、脉冲宽度等一系列脉冲参数的先决条件,因此在许多应用中需要对其准确测量。
    根据不同的测量准确度要求,脉冲幅度可以采用不同的测量方法。最方便又直观的测量方法是采用示波器测量。如果需要进一步提高测量准确度,则可以采用与对应直流电压进行比较的比较法或直接测量脉冲顶值或底值的高采样数表法[1]。但各有局限,因此本文在传统的脉冲幅度比较法的基础上提出了一种改进的比较法。
    二、传统的脉冲幅度比较法
 
  传统的脉冲幅度比较法的基本测量原理为利用专用的脉冲幅度比较仪,分别将脉冲顶部和底部经斩波输出后,与对应的可调直流电压送入高灵敏示波器经差分输入放大后比较,细调直流电压,达到平衡显示状态,读取这时的直流电压即为被测的脉冲顶值或底值,顶值减去底值即得脉冲幅度,其原理框图见图1[2]。

图1 脉冲幅度比较法测量脉冲幅度
    该方法的不确定度大小,主要取决于平衡显示状态及准确判断、数字多用表的测量不确定度和测量重复性等因素,测量不确定度可以达到10-4 量级,有较高的测量准确度。
    从原理简介中知道被测脉冲要经过周期斩波输出,因此适用于对周期性信号的幅度测量。另外,采用机械斩波方式,频率受限,并且高灵敏示波器带宽较低,一般在1MHz,因此该方法只适用于周期性的视频脉冲幅度测量。硬件结构上,该方法需要脉冲幅度比较仪和高灵敏示波器等专用设备。基于以上两点,应用受到较大限制,而且该方法采用模拟电位器调节比较仪的输出,随着使用次数的增多,常用测试点电位器触点接触不良,调节不灵敏,影响准确测量;斩波输出开关频繁动作,使用寿命有限。
 
    三、改进的脉冲幅度比较法原理
  
从传统方法原理剖析中得知,脉冲幅度能否与对应的直流电压进行比较及准确的平衡显示是关键。考虑到数字示波器有存储记忆功能,将被测波形存储后显示在屏幕上,再经示波器同一通道输入直流电压,可实现同屏显示,从而便于比较。为准确判断平衡显示状态,利用数字示波器具有的大幅度直流偏置功能,设置适当的偏置,在高灵敏度下显示出脉冲顶部或底部,使波形局部放大,从而在高分辨力下显示平衡状态。加之偏置功能本身良好的可调性和稳定性,由此可取代比较仪和高灵敏示波器的功能而实现脉冲幅度测量,其原理框图见图2。

     由于比较前后的信号均经过同一电路,数字示波器的偏置误差、直流增益误差等因素作用等同,消除了这些系统误差的影响,可以达到较高的测量准确度(下文有详细的实例分析)。如果电压源自身带有数值显示并满足所需准确度要求,可省去数字多用表,进一步简化结构。
    目前,数字示波器几乎全部具有波形存储功能,因此该方法的关键也就在于高灵敏度下的偏置能力。不同示波器有差异,对于一般的脉冲幅度,如示波器自带的500mV、1V 方波,可达到相当于1万线以上分辨力的平衡显示,从而实现准确测量;而对于小于20mV 的小幅度脉冲,一般数字示波器垂直偏转系数最小为1mV/div,以50 线/div 计,平衡显示时对应分辨力在1000 线以内,因此测量不确定度大于10-3 量级。如果有高灵敏度数字示波器产品,可以提高其测量准确度。鉴于小信号本身技术指标差些,经分析某些情况下仍可以使用。
 
四、改进的脉冲幅度比较法的测量方法和特点
    改进的具体操作步骤为:将被测脉冲信号接入数字示波器,示波器上显示出波形后,利用其偏置功能使波形顶部居中显示,不断减小垂直偏转系数,使细节充分显示。存储该波形并显示可打开数字示波器水平光标,调节光标使其刚好压在波形顶部。波形见图3(a)。断开脉冲信号,将直流电压信号接入示波器同一通道,幅度与脉冲顶部值相当,细调电压幅度,使之与存储的波形顶部或光标达到最佳重合。读取此时直流电压幅度,即为脉冲顶部值。如果直流电压源读数不够准确,可再接入数字多用表读取其电压幅度。波形见图3(b)。利用偏置功能将波形底部显示在屏幕内,方法同上,读取波形底部值。脉冲顶部值与底部值相减,即得脉冲幅度值。

(a) 被测脉冲顶部(示波器偏置-5V

(b) 直流电压重现脉冲顶部值
3 改进的脉冲幅度比较法波形图实例

   对于噪声较大的脉冲信号,可以利用数字示波器的波形平均等功能使其扫线变细,提高平衡显示能力。接入多用表可能引入噪声,可以先断开多用表,调整好平衡显示后再接入。
  
 改进法可测量各种脉冲波形。数字示波器有很强的显示各种复杂脉冲波形的能力,并可以存储,其测量高速脉冲的上限取决于示波器的带宽(目前已高达8GHz),因此该方法可以测量各种复杂脉冲波形,如高频的、非周期的、甚至单次脉冲,大大拓宽了可测脉冲的种类和范围,为非常规复杂脉冲幅度的准确测量带来极大的方便。相比于传统的比较法和快捷准确的高采样数表法,克服了仅适于低频周期脉冲这一限制,具有极大的优势。

五、测量不确定度评定与验证
 1. 脉冲幅度测量数学模型
                
UA=Ui-Ub

    式中UA为被测脉冲幅度,单位:VUi为被测脉冲顶值,单位:VUb为被测脉冲底值,单位:V。其中,UiUb不相关,且灵敏系数[3]±1,故合成标准不确定度[3]为:

  下面以标称值为1V的对称方波为例,分别采用传统的比较法与改进的比较法进行测量,并对测量结果进行比较分析。

2. 传统法的测量不确定度评定
   
传统法输入量Ui(或Ub)的不确定度来源为高灵敏示波器平衡显示和判读、多用表和测量重复性引入的不确定度。
  
 平衡显示的判断与示波器垂直偏转系数、扫描线的粗细、信号噪声和人眼视差等因素有关。该被测信号噪声小,能设置在较小的5mV/div 偏转系数下观察,示波器聚焦良好,因此在较小的人眼视差估计为50 线/div下,结合其他因素影响,估计为25 线/div,即可判读的细节为5/25=0.2mV(偏转系数不确定的影响为二阶微小量,可忽略),假设其为均匀分布,区间半宽度为0.1mV,则:

   采用安捷伦34401A 6 位半数字多用表读数,误差极限为±0.004%×读数+0.0007%×量程),设其服从均匀分布,则

  独立重复测量10 次,测量结果见表1

1 改进前后的脉冲幅度比较法重复性实例原始数据

以单次测量作为测量结果时,

以平均值作为测量结果时,

可以认为以上各量互不相关,故:

同理,脉冲底值的各不确定度分量分别为 u1(Ub1)=0.0577mV,u1(Ub2)=0.0156mV, u1(Ub3)=0.0374mV,脉冲底值的标准不确定度:

所以,合成标准不确定度为:=0.0931mV
扩展不确定度为: U1=kuc1(UA)=2×0.0931=0.19mV
由此,测量结果为: UA1=(1000.16±0.19)mV),k=2
同理,可得当用平均值作为测量结果时, UA1=(1000.16±0.17)mV),k=2
   
由于测量重复性分量所占比重不大,不是主要因素,因此多次测量减小不确定度效果有限,从实用的角度,一般单次测量即可;并且从不确定度计算结果看,多用表取5 位有效数字即可。进一步减小不确定度关键在于提高平衡显示能力,本例中垂直偏转系数只能提高到5mV/div,进一步减小时波形不良,已达到最佳状态。
  
严格说来,平衡显示的调整也会反映在多用表的读数重复性上,构成重复性的部分来源,但并不完全,如每次同样的调节方向或操作习惯则平衡显示好坏无法全部反映在读数重复性上。鉴于两者关系复杂,为了可靠起见,将两者分别考虑。改进法基于同样考虑。

3. 改进法的测量不确定度评定
   
改进的比较法输入量Ui(或Ub)的不确定度来源为数字示波器显示分辨力、多用表和测量重复性引入的不确定度。
   
本例采用泰克TDS 5104型数字示波器作为平衡判读显示仪器,在1mV/div偏转系数下直流偏置可设置范围为±1V,测量脉冲顶部时设为0.5V,在调用20MHz带宽限制和平均功能下,可有效去除噪声,在小偏转系数下获得良好的波形,便于顶值的比较判断。光标分辨力为50 线/div,人眼可分辨,消除了视差影响,加之波形良好,该部分不确定度分量取决于分辨力,因此

采用同样的数字多用表读数,所以

 独立重复测量10次,测量结果见表1右端,得

   同理, 脉冲底值的各不确定度分量分别为 u2(Ui3)=0.0577mV, u2(Ub2)=0.0156mV u2(Ub3)=0.00411mV
  
所以,合成标准不确定度为:

=0.0281mV

    扩展不确定度为: U2=kuc2(UA)=2×0.0931=0.056mV

    测量结果为: UA2=(1000.209±0.056)mV),k=2

    当用平均值作为测量结果时, UA=(1000.218±0.048)mV),k=2

    与单次测量结果比较,重复性测试对测量结果准确度改善有限。采用6 位半数字多用表是合理的。

4. 不确定度评定汇总
   
将两种方法测量结果的不确定度评定汇总为表2,可看出改进法比传统法的脉冲幅度测量不确定度减小了。比较各分量大小可知主要原因在于提高了平衡显示能力。

5. 测量不确定度验证
   
测量结果的差值应满足下式[4]

    将数值代入两端:=0.049mV

=0.20mV

    可见满足上面要求,且已知传统法评定合理,因此一定意义而言,改进法不确定度评定合理,测量结果有效。综上所述,改进后的脉冲幅度比较法不确定度优于10-4 量级,且评定合理;与传统方法相比,有更高的准确度

2 1, V对称方波测量不确定度评定汇总表

六、结论
  
改进后的脉冲幅度比较法采用常规仪器实现了脉冲幅度的准确测量,克服了传统方法采用专用设备带来的不便,简便易行;而且突破了传统法和高采样数表法只适用于低频周期脉冲的局限,可以测量各类脉冲,包括单次高频等类型脉冲,大大拓宽了适用性,在非常规脉冲幅度测量上具有不可替代的优势。

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