数字示波器测量幅度的误差分析.pdf

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年月宇航计测技术 第卷第期 数字示波器测幅度的误差分析 申其祥 ’ 舒艳于丽娟 文摘 分析了用数字示波器测量脉冲幅度带来的测量误差 , 给出了计算相对误差的公 式 , 对测量中产生的超差现象和异常现象的原因进行了分析 主肠词 数字示波器脉冲幅度 十垂直偏转 不确定度 测误差分析 测量的随机误差 , 主要是仪器 内部在对模拟信号进行数字化的过程 中 , 最后一位加或 减带来的误差 换句话说 , 是由仪器分辨力带来的误差 , 或士位计数带来的误差 分析 这一误差 , 可以得出数字示波器作为测量仪器时 , 测试结果的随机误差 进行实验用的数字示波器都是美国公司的产品 , 垂直分辨力都是 , 即位 , 对每一个取样点进行数字化 , 都依次执行次逼近 , 最后一位的分辨力达到 , 约 但是 , 不能说用数字示波器测量时 , 它能给出的相对误差 , 而要依据被测信号在屏幕 上偏转的实际高度来一一推算 首先 , 按仪器说明书给出的满量程来计算 , 这是仪器能给出的准确度最高的 情况 。

假如垂直灵敏度挡打在位置上 , 满量程 , 幅度为 , 那么仪 器 内部在进行数字化过程 中 , 最后一次逼近的分辨力为 这 的值存在两种可能 — 加或减 , 无法肯定是加或是减更接近真值但是可以断定 , 真值的 最末一位存在的一段范围 , 即 一 一之间 , 就是通常所说的士 于是可以给 出一个准确 的说法 , 测量的结果是 士 结果分为两部分 , 是测量给出的数 据 , 接近真值的数据 士 是最末一位可能存在的范围 通常也可以表示为 士 士 是测量中的绝对误差 , 换算成相对误差就是 , 即 由 此得出结论用数字示波器测量波形 , 当波形垂直偏转为时 , 测量结果的相对误 差为 其次 , 仪器的屏幕上座标的垂直分度只有 , 在超出的范围上使用时 , 有许 多技术上的困难 , 一般使用人员较难掌握 , 因此建议 , 在使用中 , 尽量不使被测信号出屏 仍以挡为例 , 如果测量的信号在屏幕上垂直偏转 , 那么 , 它的相对误差就不是 , 而是 它的计算过程是由满度值的相对误差得到的 如果被测信号的峰 一峰值在屏 幕上的偏转不足 , 那么 , 在取样点数字化过程中 , 第一次比较时 , 被测量小于参考标准 , 减码 , 第二次比较时被测量大于参考标准 , 加码 , ⋯⋯ , 收稿 以犯 一 一 ‘西北核技术研究所计量站 , 高级工程师 , © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 虽然最末一位的分辨力仍然是 , 但由于被测信号只接近满度值的一半 , 所以这时测 量结果的绝对误差虽然不变 , 但相对误差却下降了一倍 , 只有 。

依次类推 , 可以得 出 , 偏转不足的信号 , 测量结果的相对误差只有 , 偏转不足的信号 , 测量 结果的相对误差只有 , 偏转不足的信号 , 测量结果的相对误差大约 , 等等 根据这一分析 , 可以给出数字示波器测量结果的相对误差的经验公式 旦里些 生兰 公式中 , 为满度值时的相对误差 , 上垂直偏转的格度 公式可简化为 生 、 为满度值 , 为被测信号在屏幕 式中 , 仍是格数 , 去掉量纲 这一分析结果和 电学计量中指针式表头测量结果的不确定度现象完全吻合 在电学测 量中 , 测量结果的准确度出现最高的情况是接近表头度值的位置 由误差分析 , 可以得出如下结论用数字示波器进行测量 , 垂直偏转格数越多 , 其测 量结果的准确度越高 根据这一结论 , 建议在使用数字示波器时 , 被测信号的峰 一峰值在屏 偏转格数应大于 、 小于 超差现象及原因 在检定过程中 , 信号偏转高度小于时 , 测量结果数据变化大 , 出现严重超差现象 下面 , 分析产生超差现象的原因 这种现象的产生是 由于极大地增大了测量的随机误差而引起 的 测量的随机误差取决 于仪器内部的分辨力 。

当被测信号相对于示波器的测量范围很小时 , 在屏幕上 的偏转高度 就很小 , 极大的损失了仪器测量的动态范围 , 当然也损失了测量准确度 位数的 刀 转 换器 , 在进行 刀 转换时共执行次比较 , 使用基准电压一次一次地逼近被测 电压 , 最后 给出测量结果 在第一次比较时 , 判断被测量处于哪一个区间第二次比较时 , 判断 被测量处于哪一个区间⋯ , 最后一次比较 , 判断被测量处于哪一个区间 , 因此 , 基准电压的最小可分辨电压为 , 满量程的 这里仍以偏转为例 , 取样点 为的信号 , 进行数字化 , 要逐次逼近次 , 在第一次比较时 , 与比较 , 相差太大 , 减码在第二次比较时 , 与比较仍相差太大 , 减码在第三次比 较时 , 与比较 , 还是减码 这三次比较都 白白地浪费掉了 , 只有当第四次比 较时 , 和相比 , 才出现加码 相当于仪器的分辨力在这时只有了 的分辨力折算成相对误差 , 大于 , 根本保证不了测试准确度要求 如果峰 一 峰幅度偏转 高度更小 , 便如 , 那么测量结果的相对误差只有 在前面已经建议 , 被测信 号的峰 一峰值在屏 偏转格数应大于 , 小于 , 这是为保证得到更高准确度而提出的 。

在这里再提出一项规定 , 在使用数字示波器时 , 不允许被测信号的峰 一峰值在屏 偏转格数小 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 于 这是为了保证测量结果的相对误差不大于而提出的 信号出屏 , 测数据紊乱 应该事先说明 , 并不是所有信号出屏都出现数据紊乱 当被测信号峰 一峰值偏转 时 , 如果很好地掌握上下出屏范围 , 尽量等分 , 那么被测信号用菜单测量时 , 也会出现很 好的测量结果 对于信号偏转大于的 , 也可 以出现很好的测量结果 但是信号出屏有 一个极限值 , 这个值小于 , 一旦信号偏转超过 , 无论如何调试仪器 , 都 不可能使它产生正常的测量结果 这一异常现象说明 , 被测信号垂直偏转高度的极限值是 为了避开紊乱的测 量结果 , 建议被测信号的垂直偏转高度为 , 即不超出显示屏幕的范围 产生紊乱数据的原因 , 是由于用以比较的测量基准 , 在比较数值时 , 找不到被测量的 起始端或找不到终止端而造成的 测量基准在与被测信号比较时 , 有一个活动范围 , 这一 范围是从座标屏幕底线下一格起始 , 到座标屏幕顶线上 ‘ 终止 , 即在的垂直动 态范围之外 , 大约又增加 , 共 。

当被测信号的垂直偏转 , 其底部低于 一 时 , 超出了测量基准的活动范围 , 由于用以比较的测量基准 , 找不到被测量的起始端 , 就 无法比较 , 从一开始就给不 出数据来 , 所以产生紊乱结果是很自然的 当被测信号的垂直 偏转 , 其顶部高于时 , 由于用以比较的测量基准 , 一次一次的比较 , 最后找不到 被测量的终止端 , 不知剩余量是多大的值 , 所以也就给不 出被测量的正确值 , 产生紊乱结 果也是正常的 这就象人们用一根长的尺子量的布 , 如果找不到起始端 , 就根本 无法给出这块布的长度来如果在量度过程中 , 找不到终止端 , 也无法给出这块布的长度 来 为了验证以上的分析 , 曾经上下移动位移旋钮 , 有意识地让在屏偏转的信号上下 出屏发现 , 当基线移动到底线下一格的时候 , 无论怎样向下旋转位移旋钮 , 基线固定在 一 位置上 , 决不下降 也就是说 , 仪器 内部已经设置 了避免丢失测量起始端的功能 这一功能保证了被测信号的起始端总处于测量基准能发现的范围之 内 现在只剩下一个产 生紊乱结果的原因 了 , 就是被测量顶部超过屏幕顶线上 移动位移旋钮 , 让偏转的信号向上位移 , 在信号顶部接近顶线上一格即基线接 近中心水平线时 , 特别注意观察 。

在基线接近中心水平线时 , 一点一点变化位移量 , 测 量结果一直是很准确的 , 当基线调在中心水平线时 , 结果也是准确的 , 但是 , 基线继续上 升 , 一旦超过中心线上 , 结果马上紊乱 , 无法给出 这就证实了 , 仪器的垂直测量 范围是 , 超出的被测量仪器无法给出准确的结果来 但是不好 掌握 , 通常仍以作为测量满度值 这一实验说明 , 被测量超出不超出仪器的动态范围 , 仪器本身已经在起始端增加把关 设置 , 决不会让起始端通常叫扫描基线低到不能测量的区域去 , 使用者可以放心地把 基线向下调 , 任意调 , 都没关系 但是 , 被测信号的垂直偏转顶部 , 需要使用者 自己把关 , 自己设置垂直偏转灵敏度 , 使信号偏转不超过 调试示波器的过程 , 是一个人为的观察比较过程 , 而偏转一旦 出屏 , 无论向下出屏 , 或是向上 出屏 , 操作者都观察不到屏外波形变化 , 也无从修改偏转因子 所以 , 还是建议 , © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 尽量让被测量信号落在屏幕之内 , 被测信号的峰 一峰值偏转不超 出 。

这样做 , 虽然失 去了加的动态范围 , 丢掉了测量的最佳准确度 , 但是却增加了测量的保险系数 这对于 执行单次记录使用来说 , 尤其重要 今考文献 、一一, 、、、、、、、 一一 , 申其祥 、 房士良示波器检定规程 一, 年 八 加 、恤 旅 雌 毗 胡习 面 ” 化 , 翻 】 ‘ 讨伙 、 龟垃 上接第页 由纷 七 翻 刁刁 扮叫 , 扮叫 面 比胡 , 山云化 , ,, 刀 加 勿 , 口 硕 明 。