高精度阶梯波电平校准方法研究

赵自文，徐毓雄，杜 亮，秦塬淋

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000)

0 引 言

在空空导弹武器装备科研生产过程中，采用专用测试设备产生高精度阶梯电平信号作为参考基准，该参考基准需要现场标定。目前对于阶梯波信号电平的测试常用数字示波器或高速采样数字电压表两种方法，对于脉冲信号（单台阶阶梯波）除了能用数字示波器和高速采样数字电压表外[1-2]，也可以使用脉冲电压表或脉冲幅度比较仪[3]。但上述方法存在使用限制条件，主要表现在：1）若使用高速采样数字电压表测试阶梯波台阶电平[4]，此方式需要借助同步触发，而专用测试设备未配置同步输出端；2）使用脉冲电压表或脉冲幅度比较仪，但该方法仅适用于顶部失真小的脉冲信号电平的测试，不适用于阶梯波台阶电平的测试；3）使用数字示波器进行电平直接测试，该方式虽然能观测采样信号波形细节[5]，但存在两方面的问题，一方面数字示波器的测量误差不满足校准要求，专用测试设备高精度阶梯电平的允许误差要求±1%，依据GJB5109-2004校准用设备与被校准设备允许误差比优于1∶4的要求，校准用设备的电平测量误差要优于±0.25%才能满足要求，数字示波器受直流增益、偏置、垂直分辨力等因素的综合影响[6]，直接测量误差目前仅在±2%（参考频率点）的水平，显然不能满足要求，另一方面对于多台阶阶梯波电平无法使用自动测量功能，只能采用手动光标定位各台阶基准线，对于台阶部分有失真的信号不易准确定位，易引入较大误差。本文基于空空导弹专用测试设备的校准需求，设计出一种利用数字示波器和高精度直流电压源实现高精度阶梯波电平参数的间接比较式校准方法。

1 高精度阶梯波电平的间接比较式校准方法设计

空空导弹专用测试设备高精度阶梯波技术要求归类如下：阶梯电平台阶数≤5；台阶电平范围100 mV～5 V，误差±1%；重复频率范围 100 Hz～10 kHz，误差±0.01%；阶梯上升时间＜20 ns。阶梯波形示意图如图1所示。

图1 阶梯波形

随着数字示波器测量技术的发展，目前的中高端数字示波器已具备大范围直流偏置、高垂直分辨力、高带宽、深度存储等特征，虽然直接测量其精度达不到校准要求，但通过间接比较测量途径，即借助数字示波器的垂直直方图统计分析结果与外部高精度直流电压源电压值[7]，通过两者比较的方式实现高精度阶梯波电平的校准。

1.1 校准方法选用的测量标准

依据GJB5109-2004校准设备与被校设备之间测量范围覆盖、误差比值满足1∶4的要求，综合考虑高精度阶梯波的测量范围、测量误差等指标，间接比较式校准方法选用数字示波器、高精度直流电压源作为测量标准，校准连接如图2所示。

图2 间接比较式校准方法连接示意图

1.1.1 数字示波器

数字示波器在间接比较式校准方法中主要用于阶梯波的采集、显示、放大，数字示波器应具备直方图功能，便于采集数据的统计分析计算，技术要求如下：

1）偏置范围

数字示波器具备较大的偏置范围是实现高精度阶梯波电平间接比较式校准方法的前提，数字示波器的动态偏置范围要求如下（1 MΩ输入阻抗）：±5 V（＜10 mV/div），±20 V（10 mV/div～200 mV/div），±75 V（＞200 mV/div）。

2）垂直灵敏度

数字示波器垂直灵敏度范围1 mV/div～5 V/div（1 MΩ输入阻抗），结合被测信号的电平大小，在数字示波器的动态偏置允许范围内通过提高数字示波器的垂直灵敏度，放大波形细节减小测量误差。

3）垂直分辨力

数字示波器的垂直分辨力为8位，同时要具备12位的高分辨力模式，用于降低随机噪声的影响。

4）频带宽度

数字示波器的带宽应不低于100 MHz，示波器的固有上升时间应小于被测信号的上升时间，以便能准确观测阶梯波或脉冲波的上升/下降沿。

5）实时采样率

当数字示波器时基在5 μs/div～5 ms/div范围内时，实时采样率不低于10 MS/s。

1.1.2 高精度直流电压源

高精度直流电压源在间接比较式校准方法中用于提供高稳定、低噪声的直流信号和阶梯波的台阶电平进行比较，间接实现阶梯波台阶电平的测量。要求电压源输出值能精密调节，便于与阶梯波台阶电平准确比较。高精度直流电压源应具备以下技术要求：

1）电压输出

高精度直流电压源是间接比较式校准方法中的溯源标准，电压的输出误差与被测信号电平指标之间须满足1:4的关系，校准源的误差要优于1×10-4，同时要具备良好的稳定性和低噪声，稳定性指标要优于5×10-5/h，100 mV量程噪声有效值小于10 μV（10 Hz～10 kHz），1 V 量程噪声有效值小于 20μV（10 Hz～10 kHz），10 V 量程噪声有效值小于 30 μV（10 Hz～10 kHz）。

2）输出调节

高精度直流电压源的输出调节显示分辨力要与被测阶梯波信号的电平指标相适应，便于借助数字示波器进行阶梯波台阶电平的准确比较，输出调节显示分辨力要求：100 mV量程优于1 μV，1 V量程优于 10 μV，10 V 量程优于 100 μV。

1.2 校准方法设计

高精度阶梯波电平间接比较式校准方法涉及两个关键点：1）确定阶梯波的各台阶基线位置；2）减小各环节测量误差，提高测量精度。

1.2.1 阶梯波台阶基线位置识别方法

准确测量阶梯波台阶电平的前提必须要确定各台阶基线位置，它直接关联着台阶电平的测量结果[8-10]，特别是对于类似图3所示台阶有失真的信号基线位置更不易准确定位。

本方法通过巧用数字示波器的垂直直方图功能实现阶梯波各台阶基线位置的识别定位。在△t时间内数字示波器ADC对信号连续采样得到n个样本，基于样本进行统计分析，采用一系列宽度相等、高度不等的长方形表征数据的直方图，长方形的宽度表示数字化电平的分组间隔，长方形的高度表示在给定分组间隔内出现的频数，如果样本容量取得足够大，分组的间隔取得足够小，柱状的直方图就会变成曲线图，显示样本的分布规律[11]。当选取数字化信号电平分布图时，处于阶梯波台阶处的频数较多，会形成一个远高于其它电平的峰，该峰所在位置即为阶梯波对应台阶的基线位置，如图3中的p0、p1、p2、p3位置。

图3 台阶失真阶梯波

1.2.2 减小阶梯波台阶基线定位误差

以一台专用测试设备的校准为例，将待测的专用测试设备阶梯波信号接到数字示波器的垂直输入端，耦合方式为DC，输入阻抗为1 MΩ，垂直灵敏度及时基等其他设置置于合适位置，使一个完整周期的阶梯波信号稳定显示在数字示波器屏幕的中间位置，将数字示波器的“带宽限制”置到20 MHz，减小高频噪声对测量的影响，示波器数据采集模式置于“实时”，采样模式置于“高分辨率”。

打开数字示波器垂直直方图功能，将水平和垂直分析区域定位一个阶梯波信号周期，此时在数字示波器屏幕一侧可观察到统计分析直方图。图4是一个5个台阶500 mV 1 kHz的阶梯波垂直直方图示例，此时可观察到直方图有6个峰，其位置分别对应阶梯波0～5台阶的基线位置。垂直直方图的峰值位置精度受数字示波器垂直分辨力的影响，当数字示波器的灵敏度较低时，较低的数字化电平分辨力直接影响峰值定位精度，提高峰值位置精度必须提高数字化电平分辨力。

图4 阶梯波台阶电平测量直方图

保持分析区域的水平界限和垂直界限不变，逐步提高数字示波器的垂直灵敏度，同时利用数字示波器较大的动态直流偏置，将要测量的某一台阶放大且稳定显示到数字示波器的屏幕中间，此时垂直直方图显示该台阶的统计分析结果，打开数字示波器的水平光标，将光标调整到该台阶直方图的峰值点，并保持示波器状态不变。

1.2.3 采用间接比较方式减小测量误差

断开专用测试设备阶梯波信号输出端与数字示波器之间的连接，将专用测试设备替换成高精度直流电压源，将高精度直流电压源输出端连接至数字示波器的同一测试通道，电压输出值设置到上述待测阶梯波台阶电平附近，精细调节高精度直流电压源的电压输出，使此时的直方图峰值点与水平光标重合，此时高精度电压源的输出值即为阶梯波待测台阶电平的测量值。阶梯波其他台阶电平的测量按照上述方式同样进行。

2 高精度阶梯波电平测量结果不确定度评定

依据上述校准方法选用一台DSOX6002A数字示波器和一台2553 A高精度直流电压源对一台专用测试设备的高精度阶梯波台阶电平进行校准，并对测量结果的不确定度进行评定[12]。阶梯波频率1 kHz，台阶数 5，台阶电平：100～500 mV，误差：±1%。校准结果见表1。

表1 阶梯波台阶电平校准结果

从表中选取阶梯波第1台阶100 mV电平为例进行测量结果的不确定度分析评定，主要影响分量来自以下4个方面：

1）测量重复性

对重复频率1 kHz的阶梯波第1台阶电平进行6次重复测量，测量结果见表2。

表2 台阶电平测量结果

测量结果的实验标准差：

测量重复性引入的A类标准不确定度：

2）数字示波器的垂直分辨力

当测试阶梯波第1台阶时，调整数字示波器的偏置和垂直灵敏度，最终将数字示波器的灵敏度设置为2 mV/div（满量程为16 mV），将数字示波器的采集模式置于“高分辨率”，此时数字示波器的垂直分辨力为

由垂直分辨力引入的不确定度服从均匀分布，不确定度B类分量为

3）数字示波器的水平光标分辨力

测试阶梯波第1台阶时，数字示波器的灵敏度设置为2 mV/div，此时打开数字示波器的水平光标对准第1台阶波的直方图峰值点时，光标的分辨力为25 μV，由水平光标分辨力引入不确定度服从均匀分布，不确定度B类分量为

4）高精度直流电压源的电压输出误差

高精度直流电压源2 553 A在100 mV点的输出误差为

电压输出误差引入的不确定度服从均匀分布，误差限半宽度为10 μV，不确定度B类分量为

按上述同样的分析评定方法可得到阶梯波其他台阶电平测量结果的不确定度如下：

3 间接比较式校准方法的验证

为了验证间接比较式校准方法的合理正确性，在校准实验室用一台示波器校准仪9500作为标准源替代图2中的专用测试设备，校准仪输出标准方波（一阶台阶波），幅值范围 100 mV～5 V ±(0.1% 设置值+10 μV），频率范围 100Hz～10 kHz，用上级计量技术机构出具的校准结果作为标准值，校准结果见表3。

表3 方波幅值校准结果

从表中结果看，采用间接比较式校准方法所得到的“测量值±U”的误差均不超过±0.25%。因此使用DSOX6002A数字示波器和2553 A高精度直流电压源组合在一起作为标准，采用间接比较式校准方法其系统指标优于±0.25%的水平，满足空空导弹专用测试设备高精度阶梯波电平±1%的现场校准要求。

4 结束语

校准方法的正确性直接影响着专用测试设备参数指标的判定，进而影响着空空导弹产品测量结果的准确性。目前已有多套空空导弹专用测试设备校准规范采用了间接比较式校准方法并获评审通过，该校准方法已应用在了空空导弹专用测试设备高精度阶梯波电平的现场校准，现场应用表明该校准方法设计合理、简便易行，既能观察波形细节又能保证校准结果质量，能对型号产品起到良好的计量保障作用。