航空装备计量中脉冲上升时间测量不确定度分析和评定

李效辉，黎琼炜，董智明

(北京航空工程技术研究中心，北京 100076)

0 引 言

在航空装备计量保障中，脉冲信号是无线电计量保障的基础参数，其中，上升时间是脉冲信号的一个非常重要的技术指标。随着科技的不断发展，通讯、计算机技术等对脉冲参数测量的准确性要求越来越高，脉冲测量也由原来的微秒、纳秒扩展到皮秒量级[1]。目前，航空装备计量机构普遍建立了以示波器校准仪为核心的示波器检定装置，比较典型的是FLUKE公司的9500B型示波器校准仪，其产生的脉冲信号上升时间最快可达25 ps。新型示波器校准仪的脉冲信号上升速度非常快，普通设备很难对其进行有效测量，因此，对测量仪器和测量条件提出了更高的要求[2]。为了实现对示波器校准仪的计量，通常利用采样示波器等设备建立示波器校准仪检定装置，采样示波器可以把高频重复信号变成低频离散信号，从而实现对高速脉冲上升时间的测量。

由于误差的存在，以及被测量自身定义和误差修正不完善等原因，被测量的真值难以准确复现，测量结果具有不确定性[3]，计量工作中经常要对测量不确定度进行分析从而对不确定性进行定量评价。目前，对上升时间的测量不确定度分析多以数字示波器为校准对象，探讨数字示波器上升时间测量结果不确定度的来源和评定过程[4]。而以脉冲发生器的高速脉冲上升时间为校准对象的测量不确定度评定的研究，则较少。测量不确定度分析多采用GUM法，而当使用该方法时，不同的操作者对影响因素的考虑不同，例如，未考虑显示上升时间与真实上升时间的差异，或者未计算顶部和底部电压测量结果和时间的转换关系等，上述失误致使脉冲上升时间测量结果不确定度分析产生较大差异，最终导致测量不确定度的评定结果相差甚远。

本文对示波器校准仪检定装置测量高速脉冲上升时间进行分析，对测量结果的不确定度进行详细分析和评定，以期为航空装备计量技术机构评定脉冲上升时间的测量不确定度提供参考。

1 测量标准组成和原理

示波器校准仪检定装置由采样示波器、数字电压表、频率计、功率计、同轴电缆和转接头组成，如图1所示。采样示波器选用泰克公司的TDS8200和80E01模块，该示波器频带宽度可达50 GHz，自身的上升时间为7 ps。

图1 示波器校准仪检定装置组成Fig.1 Composition of calibration device foroscilloscope calibrator

2 测量方法与数学模型

使用TDS8200采样示波器和80EO1模块作为标准对示波器校准仪的脉冲上升时间进行测量，被测设备是示波器校准仪 FLUKE9500B带9550探头。遵循JJG278-2002《示波器校准仪检定规程》，9500B的CH1接9550探头，9550探头通过转接器连接至TDS8200采样示波器的80EO1模块，用9500B的触发功能输出触发信号至TDS8200的外触发输入通道，测量设备连接如图2所示。

图2 脉冲上升时间测量设备连接图Fig.2 Connection diagram of pulse rise time measurement

示波器校准仪设置输出快沿脉冲上升时间25 ps、幅度500 mV；采样示波器垂直档位70 mV/div，水平档为20 ps/div，设置平均为8次。调整触发电平使脉冲上升沿稳定显示在屏幕靠左部分，使用示波器上升时间测量功能测量并读取结果，共测量10次。

测量的数学模型为

δ=tx-t0

(1)

式中：δ为示值误差；tx为9500B输出脉冲上升时间标称值；t0为TDS8200测得的上升时间。

3 测量结果的不确定度来源

由脉冲上升时间的定义可知，示波器时间测量准确度、幅度测量准确度均会影响测量结果；示波器自身上升时间会使实测结果并非真实的上升时间；设备的稳定性和各种随机因素也会影响测量结果。因此，脉冲上升时间测量结果不确定度的来源主要有以下4方面[5]：

(1) 测量重复性引入的不确定度，主要是测量设备的稳定性和随机因素造成的；

(2) 示波器自身上升时间引入的不确定度；

(3) 示波器时间间隔测量引入的不确定度；

(4) 示波器幅度测量不准引入的不确定度。

4 不确定度评定

由于测量上升时间时采用直接测量法，在分析不确定度时按直接测量进行评定。测量数据的分散性按A类方法给出不确定度uA，其他因素的影响按B类方法给出不确定度uB，计算其合成标准不确定度uC及扩展不确定度U。

(2)

U=kuC

(3)

式中：k为包含因子。

4.1 测量重复性引入的不确定度

示波器校准仪设置输出快沿脉冲上升时间25 ps，幅度500 mV，采样示波器垂直档位为70 mV/div，水平档位为50 ps/div，设置平均为8次，调整触发电平使脉冲上升沿稳定显示。利用示波器上升时间的自动测量功能对上升时间进行10次重复测量，测量数据如表1所示。

表1 25 ps、500 mV时脉冲上升时间测量数据Table 1 Measurement data of pulse rise time in 25 ps、500 mV

从表1可以看出：10次重复测量的平均值为26.92 ps。

测量数据的分散性按A类方法给出不确定度，根据贝塞尔公式计算实验标准偏差：

重复性引入的不确定度可以通过计算得到[6]。

4.2 示波器自身上升时间引入的不确定度

示波器观测到的上升时间tr、示波器校准仪输出脉冲的上升时间trp和示波器自身的上升时间trs之间的关系为[7]

4.3 示波器时间间隔测量引入的不确定度

4.4 示波器幅度测量不准引入的不确定度

4.5 测量结果不确定度的合成与表达

综上所述，采样示波器上升时间测量结果的不确定度分量如表2所示。

表2 上升时间不确定度分量Table 2 Uncertainty component of rise time

取k=2，则扩展不确定度U=kuC=1.8 ps。

可得采样示波器测量脉冲上升时间的结果为：tr=26.9 ps，U=1.8 ps(k=2)。

5 结 论

(1) 脉冲上升时间测量结果不确定度的来源主要包括：测量重复性引入的不确定度，示波器自身上升时间引入的不确定度，示波器时间间隔测量引入的不确定度，示波器幅度测量不准引入的不确定度。

(2) 对不确定度贡献最大的是时间间隔测量不准引入的不确定度。根据TDS8200采样示波器的技术说明书可知，在时基大于21 ps/div时，测量误差非常大，因此在设置时，应尽量设计时基小于21 ps/div；采用其他示波器对上升时间进行测量时，也应尽量设置较小的时基，以减小时间间隔测量不准带来的影响。

(3) 在测量高速脉冲的上升时间时，应尽量选用自身上升时间远小于被测脉冲上升时间的示波器。

(4) 在其他条件不变的情况下，可以提高脉冲的输入电平，使波形更加陡峭，以减小幅度测量不准引入的不确定度。