《JJF 1057—1998数字存储示波器校准规范》中扫描时间因数校准过程及存在问题探讨

宋剑波 李 坚 刘洪贺 寇琼月

(1.北京1014信箱18分箱，北京 102249；2.北京1303信箱，北京 100000；3.中国人民解放军92538部队，大连 116041)

0 引言

扫描时间因数又称时基或扫描速度，它是指示波器光点在X轴方向移动单位长度所需的时间[1]。对数字存储示波器而言，它是指显示屏上水平扫描一格所需的时间(单位为：s/div)。扫描时间因数作为数字存储示波器一个重要的校准项目，在《JJF 1057—1998数字存储示波器校准规范》中作出了明确的校准要求，并详细叙述了扫描时间因数的校准过程和数据处理方法。但由于求得扫描时间因数涉及采集速率的测量和动态有效位数校准时大量数据的拟合处理，所以，校准过程较复杂。为节省篇幅，校准规范在条文表述上引述或跳转叙述的地方较多，给理解和实施该项目的校准带来了一定难度。同时，根据笔者的实践和理论推导，发现该校准规范中对扫描时间因数相对误差的计算过程存在一定的理论偏差。

本文按校准规范中描述的思路，对扫描时间因数校准过程进行了系统论述，并对扫描时间因数校准中存在的问题进行了探讨。

1 数字存储示波器扫描时间因数的校准过程

经过逻辑关系对应和校准过程的梳理，按《JJF 1057—1998数字存储示波器校准规范》中的描述思路，笔者对扫描时间因数校准过程和方法的系统描述如下。

将数字存储示波器调到被校扫描时间因数档，再将数字存储示波器调到最高采样率，按图1进行仪器连接。

图1 扫描时间因数校准仪器连接图

设置测量通道的量程，置非自动量程测量模式，设置通道采集数据个数n>>1000，按式(1)选择输入信号频率f：

f=Nv0/n

(1)

式中，v0为通道采集速率；N为通道采集的n个数据中所包含的信号整周期个数，N与n不能有公因子，按下式选取输入正弦信号峰值

Ep=0.475Er

(2)

式中，Er为被测通道量程。

调整被校数字存储示波器的触发，使信号稳定显示，调节直流偏置，使输入信号居中，覆盖通道测量范围，采集2个以上信号周期的数据xi(i=1,2,3,…n)，输入计算机，利用最小二乘法找出最佳拟合正弦信号：

a(i)=Esin(ωi+θ)+d

(3)

求采集速率

v=2p f/ω

(4)

说明：由于篇幅所限，校准规范中未对此进行明确解释。实际式(3)中，i为数据序列号，故ω中也包含一部分时间因子：

ω=2p fΔt

式中，Δt为信号采集时间间隔，依式(4)，采集速率

t=Δti为时间。

这样，式(3)即是

a(i)=Esin(2p fΔti+θ)+d

这即是描述时域正弦信号的常用方程： e(t)=Esin(2p ft+θ)+d

由式(4)求得v后，可得采集速率误差：

Δv=v0-v

(5)

采集速率的相对误差为：

Δvr=Δv/v

(6)

则扫描时间因数的相对误差为：

δt=-Δvr

(7)

(8)

式(8)可称为是由扫描时间因数的校准式。

2 扫描时间因数校准数据运算过程存在的问题

从校准规范中的描述可以看出，这里所提出的方法是：首先求出相应通道数据采集速率及其相对误差Δvr，再对Δvr数值取反即可。但实际情况是否如此呢？

在《JJF1057—1998数字存储示波器校准规范》中，对扫描时间因数的定义如下：

扫描时间因数：

Kb=(M1-1)/ (M2v)(s/div)

(9)

式中，M1为显示屏上所包含的采集数据点数；M2为显示屏上从左至右的时间范围内所包含的显示格数(一般为10格)。

则扫描时间因数的相对误差：

即

δt=(v-v0)/v0

(10)

这可称为是由扫描时间因数的定义所得的推导式。

比较式(8)和式(10)，可知，二者分母不同，推导式(10)中的分母是被校数字存储示波器采样速率的标称值v0，而校准式(8)中的分母是被校数字存储示波器采样速率的测量值v，从严格意义上讲，二者是有差异的。如果数字存储示波器的采样速率标准值v0与实际测量结果v存在较大误差，那么，采用式(8)求扫描时间因数将会带来很大误差。

基于上述分析，笔者认为，应对扫描时间因数校准过程的描述进行订正，为准确起见，在测得数字存储示波器的采样率后，按式(10)直接求得扫描时间因数的相对误差即可。

3 数字示波器扫描时间因数校准实例

2012年5月8日，本单位对某委托方送检的数字示波器进行了检定，扫描时间因数的检定结果如下：

表1示波器扫描时间因数检定结果一例

从表中可以看出，被检示波器扫描时间因数超差。在此情况下，式(8)和式(10)的运算结果有明显差异。所以，不管是从理论上，还是实际检定工作中，都需要按式(10)对所测得的最高采样率数据进行计算，从而得出符合实际情况的扫描时间因数数值，为校准结果的判定和示波器的维修提供准确的测量数据支持。

4 结束语

总之，数字示波器作为电子测量和信号波形分析的重要仪器设备，目前，对其计量校准方法提出了更高的要求。现行的《数字存储示波器校准规范》中对各被校项目及其校准方法做出了明确规定，特别是对扫描时间因数的校准方法进行了详细说明。但由于该项目校准过程较复杂，在推导过程中出现上述失误也在所难免。然而，计量工作要求精益求精，任何疏忽都可能给计量校准结果带来无法挽回的过失。笔者结合工作实践和理论推导对扫描时间因数的校准过程进行了系统性论述，并对扫描时间因数校准过程中存在的问题进行了探讨，供下次修订该校准规范时参考。

[1] 沈怀洋.数字示波器的校准.计量技术，2005(5)

[2] 国家质量技术监督局.数字存储示波器校准规范(JJF 1057—1998).北京：中国计量出版社，1998

[3] 韩建国，翁维勤，等.现代电子测量技术基础.北京：中国计量出版社，2000

[4] 邓斌.电子测量仪器.北京：国防工业出版社，2008

[5] 蒋焕文，孙续，等.电子测量.北京：中国计量出版社，2008