关于数字示波器电压测量准确度校准方法研究
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由于数字示波器和模拟示波器工作原理和显示方 式上的不同，检定校准方法应该有所区别。数字示波 器以直流增益的方式来表示电压测量准确度的概念， 也可以参考模拟示波器的垂直偏转系数的检测方式。 为校准数字示波器电压测量准确度，可包括以下性能 的测试：直流增益的测试，直流偏移精度的测试，垂 直方向自动测量功能的检查测试，ΔV光标测试等四个 方面。测试方法主要有以下几种：
鉴于国内外有关数字示波器计量方法目前尚无统 一的标准，因此在总结归纳国内外数字示波器检定校 准主要技术依据的基础上，笔者在工作之余对数字示 波器电压测量准确度的计量校准方法进行了一些探索 研究。
模拟示波器的显示器件是阴极射线管。在模拟示 波器中，由电子枪向屏幕发射电子，通过垂直偏转器 直接将电子束打到屏幕上来形成图形的，因此其误差 来源主要由静电偏转或阴极射线管显示处理技术带来 的。数字示波器的显示方式与模拟示波器有很大的差 别，它通过采样，经A/D转换器对信号进行分析量化再 显示出来，误差来源除了有关A/D转换器的位数，还会 受到采样率和屏幕分辨率的影响。构成A/D的比较器越 多，电压分割就越细，垂直分辩率也就越高，测量的 准确度也越高。
A/D转换器是波形存储的关键部件，它的位数不仅 决定了数字示波器的最大采样速率以及分辨率，同时 也对数字示波器的幅值测量精度带来影响。同时，与 模拟示波器不同的是，数字示波器采用了晶体振荡器 来控制时基电路，使其能够具备更高的时间测量准确 度。随着目前电子信号的频段越做越高，对实时示波 器也提出了更高的要求。为提高示波器的性能，很多 厂家采用了新的技术，最显著的是数字信号处理技术 (Digital Signal Processing，简称 DSP)，应用DSP技术可 以帮助数字示波器扩展至硬件所不能达到的性能，例 如，当需测量的信号速度很快，频率很高时，数字示 波器受到采样速率的限制，所采集到的点数有限，无 法构成连贯的波形，这时可应用DSP技术中的线性插值 算法或者sin(x)/x算法，对直流信号或者正弦波信号进 行波形重构，根据算法在取样点之间补充波形，以达 到扩展示波器有限的取样速率功能；又如，对于模拟 带宽已经固定的数字示波器来说，为测量更高频率的 信号，或者为了获得更平稳的波形，可通过增强带宽 技术，扩展示波器有限的模拟带宽，改变示波器的频 响曲线，以适应更高的测量要求；还具备多种分析、 处理和触发功能，可对波形的多项参数进行自动测 量，以满足不同用户的需求。 ３ 功能的增强给计量校准带来的问题
(1)直流增益读取法 连接示波器校准仪和数字示波器，调节被测数字 示波器的垂直以及水平系数，示波器耦合设置为直流 方式，直流偏移为零。示波器校准仪分别输出两个直 流 电 压 值U +和 U- ， 使 它 们 分 别 显 示 在 示 波 器 屏 幕20％ 和80％位置上，数字示波器自动测量置平均（ mean） 方式，从数字存储示波器读取相应电压值Ur+和Ur-。则
的标准直流信号进行测量，并判断实际测得的值是否 在这个合格的区间内。
我们就以泰克生产的TDS3000B系列数字示波器校 准方法为例，简要介绍这种校准方法。连接示波器校 准仪和数字示波器，示波器校准仪置直流电压模式， 调整示波器的垂直和水平系数，使波形稳定显示。示 波器自动测量方式选择“mean”方式。根据示波器测 量档级的不同，分别有不同的设置(以1mV/div为例)， 示波器校准仪发出100mV的直流信号，示波器带宽设 置为20MHz，直流偏移设为96.5mV，观察测量数据是 否在合格范围以内。测量数据如表2所示。
非常广泛的应用。相对于传统模拟示波器来说，由于
数字示波器本身自带自动测量功能，不仅可以显示波
形，还可以对波形的很多参数提供测量数据，就像可
以显示波形的“数表”，因此它可以定量的显示波形
幅度的大小。除此以外，由于融合了当代众多先进技
术，采用集成放大器和晶体振荡器及微处理器等元
件，示波器具有更高更稳定的性能，其综合技术指标
表１ 直流增益读取法测量数据（Ｇ０＝１）
档级
U+
U-
U r+
U r-
G ΔGr(%)
1 mV/div 3.5 mV -3.5 mV 3.417mV -3.533mV 0.9929 0.72
2 mV/div 7 mV -7 mV 6.923mV -7.070mV 0.9995 0.05 5 mV/div 14 mV -14 mV 13.95mV -14.12mV 1.002 -0.19
显 示
晶体振荡器
时钟
图１ 数字示波器工作原理图
其工作原理是：对输入信号，由时基电路控制， 按一定时间间隔采样，通过A/D转换器量化，对这些瞬 时值或采样值进行变换。具体方法是用比较器来构成 A/D比较变换，比较器检查输入采样电压是高于还是低
于其参考电压。如果高于其参考电压，则该比较器的 输出有效；反之，则输出无效。不论是否有效，都送 往编码变换器，把该采样电压值变为一个“数字 量”，这样生成代表每一个采样电压值的二进制字， 以二进制码的形式，将波形数据在快速存储器中存 储，经触发功能电路进行条件判定、触发，结束采集 过程；再以数字或模拟方式进行显示，重现波形。
(6)主要数字示波器生产厂商出版的技术说明书 其中，(1)是为通用阴极射线示波器的国际标准, 规 定了模拟示波器的指标定义及测试方法，(2)是美国电 气与电子工程师协会制订的美国行业标准，对数字波 形 存 储 记 录 仪 的 指 标 和 测 试 方 法 做 出 规 定 ， (3)是 专 门 针对数字存储示波器的国家标准，对其数字化特征做 出新的定义，(4)是依据国家标准编制的模拟示波器检 定规程，是目前我们国内应用最普遍的检定校准依 据，(5)是数字存储示波器校准规范，参考了国标中的
31 ２００６／５ 总第１９５期 国内统一刊号 CN31-1424／ TB
Technical Exchange
直流增益的计算公式为： G＝(Ur+－Ur-)/(U+－U -) 直流增益误差计算公式为： ΔG r＝(G0－G)/G 以Tektronix生产的TDS3034B为例，采用这种方法
将测量数据列表(表1)。(为了保证测量数据的科学性和 可比性，使不同方法可以横向比较，以下各种方法所 列的测量数据，都是对同一台数字示波器进行测量得 到的。)
据统计，目前国内外校准检定数字示波器的主要 技术依据有以下文件：
(1)IEC Standard，Publication 351—1，Expression of the properties of cathode— ray oscilloscopes(part 1： Genera1)， International Electrical Commission， 1976 （IEC标准351－1，阴极射线示波器定义（第一部分： 通用部分），国际电工委员会，1976 ）
直流电 50mV/div 825mV 1V
982.4mV 997.9mV 1.018V
测量精 50mV/div 825mV 650mV 632.4mV 649.1mV 667.6mV
Technical Exchange
SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING
T e c
关于数字示波器电压测量准确度
h
n
I c a l
校准方法研究
E
x
c
h a
陈 曦 李庄伟／上海市计量测试技术研究院
n
g
e
１ 引言
自 1972年美国尼科莱特公司研制成功世界上首台
数字示波器以来，经过多年的发展，在各行各业有着
(2)IEEEStd1057—1994,IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders（IEEE标准，1057－1994，数字波 形记录仪IEEE标准）
(3)GB/T15289～1994, 数字存储示波器通用技术条 件和测试方法
(4)JJG 262—1996，模拟示波器检定规程 (5)JJF 1057—1998，数字存储示波器校准规范
0.2mV/div 700 mV -700 mV 639.9mV -704.7mV 0.9990 0.10 0.5mV/div 1.4 V -1.4 V 1.391V -1.416V 1.002 -0.19
1 V/div 2 V/div 5 V/div 10 V/div
3.5 V 7V 14 V 35 V
-3.5 V -7 V -14 V -35 V
3.495V -3.495V 0.9986 0.14 6.968V -7.021V 0.9992 0.08 13.94V -14.13V 1.002 -0.19 34.67V -35.11V 0.9969 0.31
部分截图如下：
Te k停止
T
T
SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING
和性能已逐步赶上并超过传统的模拟示波器，并在越
来越多的领域大有取代模拟示波器的趋势。
２ 工作原理
数字示波器可分为：数字存储示波器(DSO），数
字荧光示波器(DPO)和取样示波器等。数字示波器的工
作原理见图1。
前置放大器
CH1
取样器 A/D变换 存储器
CH2
Байду номын сангаас
取样器 A/D变换 存储器
外触发
时基电器
处理器
在从事示波器计量中，数字示波器日益完善的各
30 国内统一刊号 CN31-1424 ／TB ２００６／５ 总第１９５期
SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING
Technical Exchange
种功能确实给校准工作带来了方便，然而，这些新的 性能应该如何进行计量考察，又成了摆在我们面前的 问题。
有关内容，提出数字化特征有关的指标，并给出大多 数参数的测量方法。
纵上所述，目前国内还未出台针对数字示波器的 检定规程。绝大多数校准机构还是依旧沿用模拟示波 器检定规程对数字示波器进行校准，用这一方法的好 处是：校准项目固定，技术成熟，误差计算准确可 靠；可执行性强，在一定程度上能反映数字示波器的 性能指标；保证校准精度和准确度的同时，能达到预 期的经济效益。但也存在不足：由于数字示波器本身 具有与模拟示波器完全不同的幅度和时间测量系统， 兼具多种分析、处理和触发功能，简单照搬模拟示波 器检定规程，无法体现数字示波器数字化的特征，不 利于计量校 准技术的发展。 ５ 对数字示波器校准方法的探索研究
表２ 出厂校准法
示波器垂 示波器偏 源输出信 下限 测试结果 上限 直量程 移量 号
1 mV/div 96.5 mV 100mV 99.25mV 100.0mV 100.8mV
2 mV/div 0.0V
-7mV -7.540mV -6.976mV -6.460mV
通道1 5 mV/div -82.5mV -100mV -101.8mV -100.1mV -98.24mV
目前，如何对数字示波器的检定和校准一直是一 个有待统一的问题。纵观国内外现状，有关数字示波 器计量检定方面的研究和方法均无统一标准。因而， 如何对数字示波器用统一的方法进行评价，使之具有 横向可比性，尚需进一步归纳与总结。目前有几种不 同意见：有专家认为，数字示波器总体评价应主要针 对测量性能，而不是纯粹的处理功能；也有的专家认 为，数字示波器的评价不仅应包含对测量性能的评 价，也应包含对运算处理功能的评价，既有量值要求 的测量性能，又具有丰富多彩的实用功能，两者不可 或缺。在我们看来，数字示波器偏重于应用，在实际 工作中，人们已习惯于用各种自动功能来代替传统的 用肉眼观察信号的方法，因此，我们在校准中应侧重 于基本测量性能方面，如时间测量准确度和幅度测量 准确度，在此基础之上再考察辅助功能的性能指标， 突出与模拟示波器不同的数字化特性。 ４ 现行的国际国内校准技术依据
10 mV/div 35 mV -35 mV 34.89mV -34.88mV 0.9967 0.33 20 mV/div 70 mV -70 mV 69.68mV -70.15mV 0.9988 0.12
50 mV/div 140 mV -140 mV 139.2mV -141.6mV 1.003 -0.30 0.1mV/div 350 mV -350 mV 347.8mV -349.6mV 0.9963 0.37
鉴于国内外有关数字示波器计量方法目前尚无统 一的标准，因此在总结归纳国内外数字示波器检定校 准主要技术依据的基础上，笔者在工作之余对数字示 波器电压测量准确度的计量校准方法进行了一些探索 研究。
模拟示波器的显示器件是阴极射线管。在模拟示 波器中，由电子枪向屏幕发射电子，通过垂直偏转器 直接将电子束打到屏幕上来形成图形的，因此其误差 来源主要由静电偏转或阴极射线管显示处理技术带来 的。数字示波器的显示方式与模拟示波器有很大的差 别，它通过采样，经A/D转换器对信号进行分析量化再 显示出来，误差来源除了有关A/D转换器的位数，还会 受到采样率和屏幕分辨率的影响。构成A/D的比较器越 多，电压分割就越细，垂直分辩率也就越高，测量的 准确度也越高。
A/D转换器是波形存储的关键部件，它的位数不仅 决定了数字示波器的最大采样速率以及分辨率，同时 也对数字示波器的幅值测量精度带来影响。同时，与 模拟示波器不同的是，数字示波器采用了晶体振荡器 来控制时基电路，使其能够具备更高的时间测量准确 度。随着目前电子信号的频段越做越高，对实时示波 器也提出了更高的要求。为提高示波器的性能，很多 厂家采用了新的技术，最显著的是数字信号处理技术 (Digital Signal Processing，简称 DSP)，应用DSP技术可 以帮助数字示波器扩展至硬件所不能达到的性能，例 如，当需测量的信号速度很快，频率很高时，数字示 波器受到采样速率的限制，所采集到的点数有限，无 法构成连贯的波形，这时可应用DSP技术中的线性插值 算法或者sin(x)/x算法，对直流信号或者正弦波信号进 行波形重构，根据算法在取样点之间补充波形，以达 到扩展示波器有限的取样速率功能；又如，对于模拟 带宽已经固定的数字示波器来说，为测量更高频率的 信号，或者为了获得更平稳的波形，可通过增强带宽 技术，扩展示波器有限的模拟带宽，改变示波器的频 响曲线，以适应更高的测量要求；还具备多种分析、 处理和触发功能，可对波形的多项参数进行自动测 量，以满足不同用户的需求。 ３ 功能的增强给计量校准带来的问题
(1)直流增益读取法 连接示波器校准仪和数字示波器，调节被测数字 示波器的垂直以及水平系数，示波器耦合设置为直流 方式，直流偏移为零。示波器校准仪分别输出两个直 流 电 压 值U +和 U- ， 使 它 们 分 别 显 示 在 示 波 器 屏 幕20％ 和80％位置上，数字示波器自动测量置平均（ mean） 方式，从数字存储示波器读取相应电压值Ur+和Ur-。则
的标准直流信号进行测量，并判断实际测得的值是否 在这个合格的区间内。
我们就以泰克生产的TDS3000B系列数字示波器校 准方法为例，简要介绍这种校准方法。连接示波器校 准仪和数字示波器，示波器校准仪置直流电压模式， 调整示波器的垂直和水平系数，使波形稳定显示。示 波器自动测量方式选择“mean”方式。根据示波器测 量档级的不同，分别有不同的设置(以1mV/div为例)， 示波器校准仪发出100mV的直流信号，示波器带宽设 置为20MHz，直流偏移设为96.5mV，观察测量数据是 否在合格范围以内。测量数据如表2所示。
非常广泛的应用。相对于传统模拟示波器来说，由于
数字示波器本身自带自动测量功能，不仅可以显示波
形，还可以对波形的很多参数提供测量数据，就像可
以显示波形的“数表”，因此它可以定量的显示波形
幅度的大小。除此以外，由于融合了当代众多先进技
术，采用集成放大器和晶体振荡器及微处理器等元
件，示波器具有更高更稳定的性能，其综合技术指标
表１ 直流增益读取法测量数据（Ｇ０＝１）
档级
U+
U-
U r+
U r-
G ΔGr(%)
1 mV/div 3.5 mV -3.5 mV 3.417mV -3.533mV 0.9929 0.72
2 mV/div 7 mV -7 mV 6.923mV -7.070mV 0.9995 0.05 5 mV/div 14 mV -14 mV 13.95mV -14.12mV 1.002 -0.19
显 示
晶体振荡器
时钟
图１ 数字示波器工作原理图
其工作原理是：对输入信号，由时基电路控制， 按一定时间间隔采样，通过A/D转换器量化，对这些瞬 时值或采样值进行变换。具体方法是用比较器来构成 A/D比较变换，比较器检查输入采样电压是高于还是低
于其参考电压。如果高于其参考电压，则该比较器的 输出有效；反之，则输出无效。不论是否有效，都送 往编码变换器，把该采样电压值变为一个“数字 量”，这样生成代表每一个采样电压值的二进制字， 以二进制码的形式，将波形数据在快速存储器中存 储，经触发功能电路进行条件判定、触发，结束采集 过程；再以数字或模拟方式进行显示，重现波形。
(6)主要数字示波器生产厂商出版的技术说明书 其中，(1)是为通用阴极射线示波器的国际标准, 规 定了模拟示波器的指标定义及测试方法，(2)是美国电 气与电子工程师协会制订的美国行业标准，对数字波 形 存 储 记 录 仪 的 指 标 和 测 试 方 法 做 出 规 定 ， (3)是 专 门 针对数字存储示波器的国家标准，对其数字化特征做 出新的定义，(4)是依据国家标准编制的模拟示波器检 定规程，是目前我们国内应用最普遍的检定校准依 据，(5)是数字存储示波器校准规范，参考了国标中的
31 ２００６／５ 总第１９５期 国内统一刊号 CN31-1424／ TB
Technical Exchange
直流增益的计算公式为： G＝(Ur+－Ur-)/(U+－U -) 直流增益误差计算公式为： ΔG r＝(G0－G)/G 以Tektronix生产的TDS3034B为例，采用这种方法
将测量数据列表(表1)。(为了保证测量数据的科学性和 可比性，使不同方法可以横向比较，以下各种方法所 列的测量数据，都是对同一台数字示波器进行测量得 到的。)
据统计，目前国内外校准检定数字示波器的主要 技术依据有以下文件：
(1)IEC Standard，Publication 351—1，Expression of the properties of cathode— ray oscilloscopes(part 1： Genera1)， International Electrical Commission， 1976 （IEC标准351－1，阴极射线示波器定义（第一部分： 通用部分），国际电工委员会，1976 ）
直流电 50mV/div 825mV 1V
982.4mV 997.9mV 1.018V
测量精 50mV/div 825mV 650mV 632.4mV 649.1mV 667.6mV
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陈 曦 李庄伟／上海市计量测试技术研究院
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１ 引言
自 1972年美国尼科莱特公司研制成功世界上首台
数字示波器以来，经过多年的发展，在各行各业有着
(2)IEEEStd1057—1994,IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders（IEEE标准，1057－1994，数字波 形记录仪IEEE标准）
(3)GB/T15289～1994, 数字存储示波器通用技术条 件和测试方法
(4)JJG 262—1996，模拟示波器检定规程 (5)JJF 1057—1998，数字存储示波器校准规范
0.2mV/div 700 mV -700 mV 639.9mV -704.7mV 0.9990 0.10 0.5mV/div 1.4 V -1.4 V 1.391V -1.416V 1.002 -0.19
1 V/div 2 V/div 5 V/div 10 V/div
3.5 V 7V 14 V 35 V
-3.5 V -7 V -14 V -35 V
3.495V -3.495V 0.9986 0.14 6.968V -7.021V 0.9992 0.08 13.94V -14.13V 1.002 -0.19 34.67V -35.11V 0.9969 0.31
部分截图如下：
Te k停止
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SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING
和性能已逐步赶上并超过传统的模拟示波器，并在越
来越多的领域大有取代模拟示波器的趋势。
２ 工作原理
数字示波器可分为：数字存储示波器(DSO），数
字荧光示波器(DPO)和取样示波器等。数字示波器的工
作原理见图1。
前置放大器
CH1
取样器 A/D变换 存储器
CH2
Байду номын сангаас
取样器 A/D变换 存储器
外触发
时基电器
处理器
在从事示波器计量中，数字示波器日益完善的各
30 国内统一刊号 CN31-1424 ／TB ２００６／５ 总第１９５期
SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING
Technical Exchange
种功能确实给校准工作带来了方便，然而，这些新的 性能应该如何进行计量考察，又成了摆在我们面前的 问题。
有关内容，提出数字化特征有关的指标，并给出大多 数参数的测量方法。
纵上所述，目前国内还未出台针对数字示波器的 检定规程。绝大多数校准机构还是依旧沿用模拟示波 器检定规程对数字示波器进行校准，用这一方法的好 处是：校准项目固定，技术成熟，误差计算准确可 靠；可执行性强，在一定程度上能反映数字示波器的 性能指标；保证校准精度和准确度的同时，能达到预 期的经济效益。但也存在不足：由于数字示波器本身 具有与模拟示波器完全不同的幅度和时间测量系统， 兼具多种分析、处理和触发功能，简单照搬模拟示波 器检定规程，无法体现数字示波器数字化的特征，不 利于计量校 准技术的发展。 ５ 对数字示波器校准方法的探索研究
表２ 出厂校准法
示波器垂 示波器偏 源输出信 下限 测试结果 上限 直量程 移量 号
1 mV/div 96.5 mV 100mV 99.25mV 100.0mV 100.8mV
2 mV/div 0.0V
-7mV -7.540mV -6.976mV -6.460mV
通道1 5 mV/div -82.5mV -100mV -101.8mV -100.1mV -98.24mV
目前，如何对数字示波器的检定和校准一直是一 个有待统一的问题。纵观国内外现状，有关数字示波 器计量检定方面的研究和方法均无统一标准。因而， 如何对数字示波器用统一的方法进行评价，使之具有 横向可比性，尚需进一步归纳与总结。目前有几种不 同意见：有专家认为，数字示波器总体评价应主要针 对测量性能，而不是纯粹的处理功能；也有的专家认 为，数字示波器的评价不仅应包含对测量性能的评 价，也应包含对运算处理功能的评价，既有量值要求 的测量性能，又具有丰富多彩的实用功能，两者不可 或缺。在我们看来，数字示波器偏重于应用，在实际 工作中，人们已习惯于用各种自动功能来代替传统的 用肉眼观察信号的方法，因此，我们在校准中应侧重 于基本测量性能方面，如时间测量准确度和幅度测量 准确度，在此基础之上再考察辅助功能的性能指标， 突出与模拟示波器不同的数字化特性。 ４ 现行的国际国内校准技术依据
10 mV/div 35 mV -35 mV 34.89mV -34.88mV 0.9967 0.33 20 mV/div 70 mV -70 mV 69.68mV -70.15mV 0.9988 0.12
50 mV/div 140 mV -140 mV 139.2mV -141.6mV 1.003 -0.30 0.1mV/div 350 mV -350 mV 347.8mV -349.6mV 0.9963 0.37