Особенности нормирования метрологических цифровых осциллографов

В последние десять лет началось массовое производство цифровых средств измерений любой номенклатуры. Большие возможности цифровой техники позволяют значительно улучшить практически все характеристики данных средств измерений по сравнению с аналоговыми приборами. Цифровые средства измерений становятся легче и меньше, удобнее в работе и точнее. Это в полной мере относится и к цифровым осциллографам (ЦО), которые способны измерять не только параметры формы, но и частотные и амплитудные параметры напряжений. При этом поверка цифровых СИ вплотную приближаясь по метрологическим характеристикам (МХ) к специализированным приборам: вольтметрам и частотомерам, и таким образом, переходя из разряда рабочих средств измерений в разряд рабочих эталонов. В тоже время особенности цифровой обработки напряжений в таких осциллографах накладывают дополнительные условия на область их применения. Поэтому большое внимание следует уделить нормированию метрологических характеристик ЦО и методах их проверки при испытаниях с целью утверждения типа и периодической поверке. К сожалению, единственным регламентирующим документом в данной области в России является ГОСТ 8.311-78 "ГСИ. Осциллографы электронно-лучевые. Методы и средства поверки", и ЦО испытываются и поверяются в соответствии с ним. Это не позволяет использовать полностью их возможности, так как ГОСТ 8.311-78 был разработан более 20 лет назад, распространяется на аналоговые осциллографы, имеющие погрешности по коэффициентам развертки и отклонения порядка ± 5 % и не учитывает специфику цифровой техники. Далее в статье рассмотрены способы нормирования и методы и средства проверки МХ ЦО на основе опыта, накопленного автором, а также с учетом требований европейского документа ЕА-10/07.

Осциллограф - это средство измерения для графического отображения зависимости напряжения от времени, которое состоит из вертикальной и горизонтальной отклоняющих систем и графического экрана. В процессе испытаний и поверки параметры этих систем должны быть определены.

Для вертикальной системы такими параметрами являются коэффициент отклонения, полоса пропускания и переходная характеристика (ПХ). Обычно погрешность коэффициентов отклонения определяют с помощью калибраторов, выдающих прямоугольное напряжение "меандр" с частотой 1 кГц. При поверке ЦО более желательным является определение погрешности коэффициентов отклонения с помощью калибраторов постоянного напряжения. Во-первых, при цифровой обработке напряжения используется процедура сравнения с постоянным напряжением, поэтому многие изготовители нормируют погрешность коэффициента отклонения на постоянном токе; во-вторых, некоторые ЦО оснащаются встроенными источниками постоянного напряжения смещения с погрешностью не более 0,5 % (например LeCroy WaveSurfer 454), что с легкостью можно проверить используя калибратор постоянного напряжения В1-18, но проблематично – при использовании калибратора осциллографов И1-9.

Дальнейшее определение параметров системы вертикального отклонения для аналоговых осциллографов заканчивается измерением переходной характеристики. Это связано с тем, что для входных усилителей аналоговых осциллографов эффект падения амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) до уровня (-3 дБ) хорошо описывается теоретически с помощью фильтра Гаусса, который связывает время нарастания ПХ и полосу пропускания следующей зависимостью: t =0,35/В -3 дБ. Здесь надо отметить, что фильтр Гаусса имеет наименьшее время нарастания среди фильтров с ПХ без значительных выбросов и неравномерностей. Большинство усилителей ЦО имеют характеристики отличные от фильтра Гаусса из-за применения цифровой обработки напряжений и возможности программно корректировать АЧХ. Поэтому производители нормируют для ЦО только полосу пропускания, которая не связана с временем нарастания общепринятой зависимостью. Однако, в России осциллографы прежде всего применяются для определения параметров формы сигнала, ПХ ЦО должна определяться обязательно (причем не только время нарастания, но и выброс, и неравномерность ПХ) и вписываться в качестве отдельной МХ. Более того, поскольку существуют различные алгоритмы сбора информации для ЦО с одинаковой реальной частотой выборки и разные алгоритмы интерполяции между точками выборки, ПХ ЦО надо измерять отдельно для периодических и непериодических (или однократных) напряжений с помощью калибраторов ПХ типа И1-11, И1-14, И1-15 и И1-12.

Отсутствие в России государственного эталона импульсного напряжения не позволяет выстроить жесткую иерархическую систему для средств измерений параметров формы импульсных напряжений. Поэтому законодательно вопрос о том, какое средство измерений воспроизводит форму ПХ с наивысшей точностью (осциллограф или калибратор) не решен. В практической деятельности таким средством измерения в России является стробоскопическая установка С9-9, с помощью которой поверяются калибраторы ПХ. Таким образом, сегодня в эксплуатации находятся калибраторы, позволяющие методом прямых измерений определять параметры ПХ для ЦО с полосой пропускания до 3,5 ГГц. Это является достаточным для большинства типов ЦО, а вопрос об определении параметров ПХ стробоскопических ЦО с полосой пропускания от 6 ГГц и выше остается открытым.

Естественно, что необходимо также определять и полосу пропускания ЦО, совмещая процедуру ее измерения с определением погрешности ЦО в режиме измерения напряжения. Такую процедуру можно осуществить например с помощью калибратора Fluke 9500 и установки В1-16. При этом погрешность измерения напряжения с помощью ЦО в нормальной области частот (1/20 от полосы пропускания) не должна превышать погрешности коэффициентов отклонения на постоянном токе в соответствии с ГОСТ 23158-78 и ГОСТ 22737-77, что необходимо четко прописывать в МХ ЦО. Например для ЦО LeCroy WaveSurfer 454 погрешность составляет не более 0,5-1,5% (при использовании источника смещения) в диапазоне частот 0-25 МГц, что соизмеримо с погрешностью вольтметров типа В3-59 и Ф5263.

Основным параметром горизонтальной системы для аналоговых осциллографов является коэффициент развертки, погрешность коэффициентов развертки определяется для каждого значения. В ЦО основой для горизонтальной системы является опорный кварц, с помощью которого формируются все значения коэффициентов развертки и задержка. Однако, погрешность кварца составляет от 0,01% до 0,001%, а выход опорной частоты отсутствует. Проверить, что погрешность коэффициентов развертки ЦО составляет такое значение, невозможно из-за ограниченного количества отображаемых точек на экране (не более 1000 точек, что соответствует погрешности из-за разрешающей способности 0,1%). Поэтому для ЦО погрешность кварца и всей горизонтальной системы определяют косвенно, используя задержку осциллографа, по следующему алгоритму. Напряжение с генератора импульсов, синхронизированного по стандарту частоты, подается на ЦО с периодом следования 10 мс. Установив уровень запуска ЦО таким образом, чтобы середина фронта первого импульса находилась в центре экрана при нулевом значении задержки и значении коэффициента развертки 25 нс, вводят на осциллографе задержку 10,0000 мс. Отклонение середины фронта второго импульса от центра экрана при коэффициенте развертки не более 25 нс будет определять погрешность кварца ЦО, при этом погрешность определения не превышает 0,00025% и приближается к погрешностям частотомеров типа Ч3-67, HP 53150.

Таким образом, методы и средства для поверки и испытаний цифровых осциллографов значительно отличаются от методов и средств, используемых при поверке аналоговых осциллографов. Данные отличия должны быть учтены во вновь разрабатываемых нормативных документах и средствах поверки осциллографов. Это позволит полностью использовать возможности ЦО и применять их в качестве рабочих эталонов.