一种新的选频电平表平衡输入端口电平测量准确度的校准方法

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

选频电平表主要用于通信设备的制造、安装、维护与测试和电力系统高频信号的传输测试，并广泛用于科研和生产中的电平测量。为了保证选频电平表的测量结果准确可靠，国家出版了JJG 777-1992《选频电平表》检定规程。在JJG 777-1992中，要求电平测量准确度的检定须使用一台电平振荡器加上一台标准零电平表来完成。由于相当多的实验室中并不具备标准零电平表，因此，本文提出了一种校准选频电平表电平测量准确度的新方法，所使用的主要仪器为通信实验室中常用的高频电压表、信号发生器、通用的衰减器、阻抗变换器等。

1 JJG 777-1992中的方法介绍及其优缺点

在JJG 777-1992中，检定时的连接如图1所示，所使用的标准器为一台标准零电平表再加上一台电平振荡器。

图1 JJG 777-1992中电平测量准确度的检定方法

1）方法的优点

（1）由于电平振荡器具有平衡输出口和不平衡输出口，对选频电平表平衡输入口的校准，不需要使用外接的平衡/不平衡阻抗变换器，所使用的标准器较少。

（2）采用直接比较得出数值，校准过程相对比较简单。

2）方法的不足之处

（1）由于标准零电平表是早期产品，现在很难寻找得到。

（2）由于很难寻找到标准零电平表，有些单位在对选频电平表校准时，就使用另外一台选频电平表来代替标准零电平表。

2 新方法

为了解决以上所述的不足之处，在研究了各无线电研究室所用设备的基础上，提出了选频电平表电平测量准确度校准的新方法。

2.1 标准器

1）电压表

频率范围：20 Hz～2 MHz；交流电压测量范围：10 μV～100 V；交流电压测量最大允许误差：±1.5%。

2）信号发生器

频率范围 20 Hz～150 MHz；频率最大允许误差：±（1×10-4～ 1×10-7）；电平范围：-60 ～20 dBm；谐波：小于-30 dB；标称输出阻抗：50 Ω。

3）衰减器

频 率 范 围：20 Hz～150 MHz； 衰 减 范 围：0 ～90 dB；不确定度：0.1 dB（k= 2）；标称阻抗：50 Ω；最小步进：0.1 dB。

4）附件

（1）不平衡/平衡转换器：

频率范围：20 Hz～2 MHz；阻抗比：50Ω ∶600 Ω，50 Ω ∶ 900 Ω，50 Ω ∶ 135 Ω，50 Ω ∶100 Ω。

（2）BNC连接线缆、香蕉接头若干。

2.2 校准方法

600 Ω阻抗Z端输入电平校准。

由于平衡输入有多种阻抗，在这里介绍600 Ω的Z端输入阻抗的校准，其他阻抗的校准方法类似。

（1）仪器连接如图2所示。

图2 平衡输入600Ω输入阻抗Z端输入电平测量

（2）电压表设定为高阻输入、600 Ω阻抗功率电平测量、dBm显示。

（3）设定衰减器的衰减值为0 dB，设定信号发生器的输出频率，调整信号发生器的输出功率使电压表指示 0 dBm。

（4）选择选频电平表为平衡600 Ω阻抗Z端输入，输入频率与信号发生器相同，分别读取宽带电平测量以及不同的选频带宽的选频电平测量时的选频电平表示值，并作记录。

（5）改变衰减器的衰减值，读取待校选频电平表的示值。

对于600 Ω的∞端和其他平衡输入阻抗的电平测量准确度的校准，方法基本相同，只是需要外接匹配电阻或者是选用不同阻抗的不平衡/平衡转换器。

3 校准结果

采用上述方法，对选频电平表进行了校准，校准结果见表1～2。

表1 宽频600 Ω校准结果

表2 选频600 Ω校准结果

4 测量不确定度评定

在此进行平衡600 Ω阻抗输入端口电平校准。根据图2，建立测量模型。

4.1 测量模型

式中：L—— 选频电平表电平示值，dBm；

LW—— 电压表电平示值，dBm；

A—— 衰减器衰减值，dB

4.2 测量不确定度来源

根据分析，测量不确定度来源主要有以下几个：

1）电压表电压测量误差δ1引入的标准不确定度u1；

2）信号发生器谐波对电压测量结果影响u2；

3）衰减器的衰减误差a3引入的标准不确定度u3；

4）测量重复性引入的标准不确定度u4

对于600 Ω输入阻抗，电压表电平测量计算公式为

式中：V—— 电压表测量得到的电压有效值，V；

R—— 电平计算所用阻抗，Ω

将式（2）代入式（1）得到：

对式（3）取偏微分，并考虑到测量重复性的影响，得到：

式中：ΔL—— 电平测量误差，dB；

ΔV—— 电压测量误差，V；

V—— 电压表电压指示值，V；

ΔA—— 衰减器误差，dB；

Δ1—— 测量重复性

根据分析，电压测量误差与电压表的电压测量误差和信号谐波有关：

式中：δ1—— 电压表电压测量误差，V；

δ2—— 信号发生器谐波对电压表测量结果的影响，V

因此，式（4）变为

并可以得到：

c1= 8.68；c2= 8.68；c3= -1；c4= 1。

4.3 测量不确定度分析

1）电压表电压测量误差δ1引入的标准不确定度u1

对于600 Ω输入阻抗，-30 dBm电平时电压V=24.49 mV，对应 3458A 电压表的 100 mV 量程，根据其技术指标：

频率为1 kHz时的交流电压测量最大允许误差Δ11为

ΔV11=±（示值的0.014%+量程的0.002%）

频率为2 MHz以下的交流电压测量的最大允许误差Δ12为

ΔV12=±（示值的1.5%+量程的0.01%）

将-30 dBm对应的电压24.49 mV和3458A电压表的量程100 mV代入后运算得到：

ΔV11=±0.005 429 mV；

ΔV12=±0.377 35 mV

转换为相对误差表示为

假设δ11为均匀分布，分布因子为 ，因此其标准测量不确定度为

u11= 0.000 128 dB

假设δ12为均匀分布，分布因子为 ，因此其标准测量不确定度为

u12= 0.008 9 dB

2）信号发生器谐波对电压测量结果影响u2

失真度线性与对数值之间的换算公式为

式中：K—— 失真度，dB；

γ—— 失真度，%

信号发生器输出信号失真度K为-30 dB时，根据式（7）得到

γ= 3.16%

对于真有效值电压表，失真对于电压测量的影响计算公式为

假设为均匀分布，因此其标准不确定度分量

u2= 0.029%

3）衰减器的衰减误差a3引入的标准不确定度u3

根据衰减器的溯源证书，衰减器的测量不确定度为0.06 dB（k= 2），因此，衰减器衰减误差引入的标准不确定度u3= 0.06/2 dB = 0.03 dB

4）测量重复性引入的标准不确定度u4

输入-30 dBm功率，进行10次重复测量，得到单次测量结果的实验标准差：

标准不确定度用实验标准差表示，则

u41= 0.01 dB。

输入-100 dBm功率，进行10次测量，得到单次测量结果的实验标准差：

标准不确定度用实验标准差表示，则

u42= 0.05 dB

4.4 计算合成标准不确定度

1）不确定度分量汇总见表3

2）合成标准不确定度

各分量独立不相关，

对于-30 dBm的电平测量

1 kHz频率

表3 电平测量校准不确定度分量汇总表

4.5 扩展不确定度

包含因子k= 2，扩展不确定度U：

对于-30 dBm的电平测量

1 kHz频率：U=kuc= 2×0.010 dB = 0.02 dB

2 MHz频率：U=kuc= 2×0.078 dB = 0.16 dB

对于-100 dBm电平测量

1 kHz 频率：U=kuc= 2×0.058 dB= 0.12 dB

2 MHz 频率：U=kuc= 2×0.093 dB= 0.19 dB

5 结语

利用本文介绍的方法，对不同厂家生产的选频电平表的平衡输入电平准确度进行了校准，表明方法合理，已将此方法应用在即将出台的国家技术规范《选频电平表校准规范》之中。