脈沖信號(hào)在電子技術(shù)、核物理研究等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用，脈沖幅度是脈沖信號(hào)最基本的參數(shù)之一，是準(zhǔn)確測(cè)量上升時(shí)間、脈沖寬度等一系列脈沖參數(shù)的先決條件，因此在許多應(yīng)用中需要對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量。

根據(jù)不同的測(cè)量準(zhǔn)確度要求，脈沖幅度可以采用不同的測(cè)量方法。最方便又直觀的測(cè)量方法是采用示波器測(cè)量。如果需要進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，則可以采用與對(duì)應(yīng)直流電壓進(jìn)行比較的比較法或直接測(cè)量脈沖頂值或底值的高采樣數(shù)表法。但各有局限，因此本文在傳統(tǒng)的脈沖幅度比較法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的比較法。

1.傳統(tǒng)的脈沖幅度比較法

傳統(tǒng)的脈沖幅度比較法的基本測(cè)量原理為利用專用的脈沖幅度比較儀，分別將脈沖頂部和底部經(jīng)斬波輸出 后，與對(duì)應(yīng)的可調(diào)直流電壓送入高靈敏示波器經(jīng)差分輸入放大后比較，細(xì)調(diào)直流電壓，達(dá)到平衡顯示狀態(tài)，讀 取這時(shí)的直流電壓即為被測(cè)的脈沖頂值或底值，頂值減去底值即得脈沖幅度，其原理框圖見圖 1。

圖 1  脈沖幅度比較法測(cè)量脈沖幅度

該方法的不確定度大小，主要取決于平衡顯示狀態(tài)及準(zhǔn)確判斷、數(shù)字多用表的測(cè)量不確定度和測(cè)量重復(fù)性 等因素，測(cè)量不確定度可以達(dá)到 10-4 量級(jí)，有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

從原理簡介中知道被測(cè)脈沖要經(jīng)過周期斬波輸出，因此適用于對(duì)周期性信號(hào)的幅度測(cè)量。另外，采用機(jī)械 斬波方式，頻率受限，并且高靈敏示波器帶寬較低，一般在 1MHz，因此該方法只適用于周期性的視頻脈沖幅度測(cè)量。硬件結(jié)構(gòu)上，該方法需要脈沖幅度比較儀和高靈敏示波器等專用設(shè)備。基于以上兩點(diǎn)，應(yīng)用受到較大限制，而且該方法采用模擬電位器調(diào)節(jié)比較儀的輸出，隨著使用次數(shù)的增多，常用測(cè)試點(diǎn)電位器觸點(diǎn)接觸不良， 調(diào)節(jié)不靈敏，影響準(zhǔn)確測(cè)量；斬波輸出開關(guān)頻繁動(dòng)作，使用壽命有限。

2.改進(jìn)的脈沖幅度比較法原理

從傳統(tǒng)方法原理剖析中得知，脈沖幅度能否與對(duì)應(yīng)的直流電壓進(jìn)行比較及準(zhǔn)確的平衡顯示是關(guān)鍵。考慮到數(shù)字示波器有存儲(chǔ)記憶功能，將被測(cè)波形存儲(chǔ)后顯示在屏幕上，再經(jīng)示波器同一通道輸入直流電壓，可實(shí)現(xiàn)同屏顯示，從而便于比較。為準(zhǔn)確判斷平衡顯示狀態(tài)，利用數(shù)字示波器具有的大幅度直流偏置功能，設(shè)置適當(dāng)?shù)钠茫诟哽`敏度下顯示出脈沖頂部或底部，使波形局部放大，從而在高分辨力下顯示平衡狀態(tài)。加之偏置功能本身良好的可調(diào)性和穩(wěn)定性，由此可取代比較儀和高靈敏示波器的功能而實(shí)現(xiàn)脈沖幅測(cè)量，其原理框圖見圖 2。

圖 2  改進(jìn)的脈沖幅度比較法原理框圖

由于比較前后的信號(hào)均經(jīng)過同一電路，數(shù)字示波器的偏置誤差、直流增益誤差等因素作用等同，消除了這 些系統(tǒng)誤差的影響，可以達(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度（下文有詳細(xì)的實(shí)例分析）。如果電壓源自身帶有數(shù)值顯示并滿足所需準(zhǔn)確度要求，可省去數(shù)字多用表，進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。 目前，數(shù)字示波器幾乎全部具有波形存儲(chǔ)功能，因此該方法的關(guān)鍵也就在于高靈敏度下的偏置能力。不同示波器有差異，對(duì)于一般的脈沖幅度，如示波器自帶的 500mV、1V 方波,可達(dá)到相當(dāng)于 1 萬線以上分辨力的平 衡顯示，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量；而對(duì)于小于 20mV 的小幅度脈沖，一般數(shù)字示波器垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)最小為 1mV/div， 以 50 線/div 計(jì)，平衡顯示時(shí)對(duì)應(yīng)分辨力在 1000 線以內(nèi)，因此測(cè)量不確定度大于 10-3 量級(jí)。如果有高靈敏度數(shù) 字示波器產(chǎn)品，可以提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。鑒于小信號(hào)本身技術(shù)指標(biāo)差些，經(jīng)分析某些情況下仍可以使用。

3.改進(jìn)的脈沖幅度比較法的測(cè)量方法和特點(diǎn)

改進(jìn)的具體操作步驟為：將被測(cè)脈沖信號(hào)接入數(shù)字示波器，示波器上顯示出波形后，利用其偏置功能使波 形頂部居中顯示，不斷減小垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)，使細(xì)節(jié)充分顯示。存儲(chǔ)該波形并顯示可打開數(shù)字示波器水平光標(biāo)， 調(diào)節(jié)光標(biāo)使其剛好壓在波形頂部。波形見圖 3(a)。斷開脈沖信號(hào)，將直流電壓信號(hào)接入示波器同一通道，幅度 與脈沖頂部值相當(dāng)，細(xì)調(diào)電壓幅度，使之與存儲(chǔ)的波形頂部或光標(biāo)達(dá)到最佳重合。讀取此時(shí)直流電壓幅度，即 為脈沖頂部值。如果直流電壓源讀數(shù)不夠準(zhǔn)確，可再接入數(shù)字多用表讀取其電壓幅度。波形見圖 3(b)。利用偏 置功能將波形底部顯示在屏幕內(nèi)，方法同上，讀取波形底部值。脈沖頂部值與底部值相減，即得脈沖幅度值。

(b) 直流電壓重現(xiàn)脈沖頂部值

圖 3  改進(jìn)的脈沖幅度比較法波形圖實(shí)例

對(duì)于噪聲較大的脈沖信號(hào)，可以利用數(shù)字示波器的波形平均等功能使其掃線變細(xì)，提高平衡顯示能力。接 入多用表可能引入噪聲，可以先斷開多用表，調(diào)整好平衡顯示后再接入。

改進(jìn)法可測(cè)量各種脈沖波形。數(shù)字示波器有很強(qiáng)的顯示各種復(fù)雜脈沖波形的能力，并可以存儲(chǔ)，其測(cè)量高 速脈沖的上限取決于示波器的帶寬（目前已高達(dá) 8GHz），因此該方法可以測(cè)量各種復(fù)雜脈沖波形，如高頻的、 非周期的、甚至單次脈沖，大大拓寬了可測(cè)脈沖的種類和范圍，為非常規(guī)復(fù)雜脈沖幅度的準(zhǔn)確測(cè)量帶來極大的 方便。相比于傳統(tǒng)的比較法和快捷準(zhǔn)確的高采樣數(shù)表法，克服了僅適于低頻周期脈沖這一限制，具有極大的優(yōu)勢(shì)。

4.測(cè)量不確定度評(píng)定與驗(yàn)證

4.1  脈沖幅度測(cè)量數(shù)學(xué)模型

UA = Ut - Ub

式中，U A 為被測(cè)脈沖幅度，單位：V；Ut 為被測(cè)脈沖頂值，單位：V；Ub 為被測(cè)脈沖底值，單位：V。其中，Ut 和Ub 不相關(guān)，且靈敏系數(shù) 為±1，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

下面以標(biāo)稱值為 1V 的對(duì)稱方波為例，分別采用傳統(tǒng)的比較法與改進(jìn)的比較法進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn) 行比較分析。

4.2 傳統(tǒng)法的測(cè)量不確定度評(píng)定

傳統(tǒng)法輸入量Ut （或Ub ）的不確定度來源為高靈敏示波器平衡顯示和判讀、多用表和測(cè)量重復(fù)性引入的 不確定度。

平衡顯示的判斷與示波器垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)、掃描線的粗細(xì)、信號(hào)噪聲和人眼視差等因素有關(guān)。該被測(cè)信號(hào)噪聲小，能設(shè)置在較小的5mV/div 偏轉(zhuǎn)系數(shù)下觀察，示波器聚焦良好，因此在較小的人眼視差估計(jì)為 50 線/div 下，結(jié)合其他因素影響，估計(jì)為 25 線/div，即可判讀的細(xì)節(jié)為 5/25=0.2mV（偏轉(zhuǎn)系數(shù)不確定的影響為二階微小量，可忽略），假設(shè)其為均勻分布，區(qū)間半寬度為 0.1mV，則：

采用安捷倫 34401A 6 位半數(shù)字多用表讀數(shù)，誤差極限為±(0.004%×讀數(shù)＋0.0007%×量程)，設(shè)其服從均勻分布，則

獨(dú)立重復(fù)測(cè)量 10 次，測(cè)量結(jié)果見表 1。

以單次測(cè)量作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，

以平均值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，

可以認(rèn)為以上各量互不相關(guān)，故：

脈沖底值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

所以，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

擴(kuò)展不確定度為：U1 = kuc1 (U A ) = 2 ′ 0.0931 = 0.19 (mV) 由此，測(cè)量結(jié)果為：U A1 = (1000.16 ± 0.19) (mV)， k = 2

同理，可得當(dāng)用平均值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，U A1  = (1000.19± 0.17) (mV)， k = 2

由于測(cè)量重復(fù)性分量所占比重不大，不是主要因素，因此多次測(cè)量減小不確定度效果有限，從實(shí)用的角度， 一般單次測(cè)量即可；并且從不確定度計(jì)算結(jié)果看，多用表取 5 位有效數(shù)字即可。進(jìn)一步減小不確定度關(guān)鍵在于 提高平衡顯示能力，本例中垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)只能提高到 5mV/div，進(jìn)一步減小時(shí)波形不良，已達(dá)到最佳狀態(tài)。

嚴(yán)格說來，平衡顯示的調(diào)整也會(huì)反映在多用表的讀數(shù)重復(fù)性上，構(gòu)成重復(fù)性的部分來源，但并不完全，如 每次同樣的調(diào)節(jié)方向或操作習(xí)慣則平衡顯示好壞無法全部反映在讀數(shù)重復(fù)性上。鑒于兩者關(guān)系復(fù)雜，為了可靠起見，將兩者分別考慮。改進(jìn)法基于同樣考慮。

4.3 改進(jìn)法的測(cè)量不確定度評(píng)定

改進(jìn)的比較法輸入量Ut （或Ub ）的不確定度來源為數(shù)字示波器顯示分辨力、多用表和測(cè)量重復(fù)性引入的 不確定度。

本例采用泰克 TDS 5104 型數(shù)字示波器作為平衡判讀顯示儀器，在 1mV/div 偏轉(zhuǎn)系數(shù)下直流偏置可設(shè)置范圍為±1V，測(cè)量脈沖頂部時(shí)設(shè)為 0.5V，在調(diào)用 20MHz 帶寬限制和平均功能下，可有效去除噪聲，在小偏轉(zhuǎn)系 數(shù)下獲得良好的波形，便于頂值的比較判斷。光標(biāo)分辨力為 50 線/div，人眼可分辨，消除了視差影響，加之 波形良好，該部分不確定度分量取決于分辨力，因此

采用同樣的數(shù)字多用表讀數(shù)，所以

獨(dú)立重復(fù)測(cè)量 10 次，測(cè)量結(jié)果見表 1 右端，得

同理，脈沖底值的各不確定度分量分別為u1 (Ub1 ) = 0.0577 mV，u1 (Ub 2 ) = 0.0156 mV，u1 (Ub3 ) = 0.0374 mV。

所以，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

擴(kuò)展不確定度為：

測(cè)量結(jié)果為：

當(dāng)用平均值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，

與單次測(cè)量結(jié)果比較，重復(fù)性測(cè)試對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度改善有限。采用 6 位半數(shù)字多用表是合理的。

4.4  不確定度評(píng)定匯總

將兩種方法測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定匯總為表 2，可看出改進(jìn)法比傳統(tǒng)法的脈沖幅度測(cè)量不確定度減小 了。比較各分量大小可知主要原因在于提高了平衡顯示能力。

4.5  測(cè)量不確定度驗(yàn)證

測(cè)量結(jié)果的差值應(yīng)滿足下式 ：

將數(shù)值代入兩端：

可見滿足上面要求，且已知傳統(tǒng)法評(píng)定合理，因此一定意義而言，改進(jìn)法不確定度評(píng)定合理，測(cè)量結(jié)果有效。綜上所述，改進(jìn)后的脈沖幅度比較法不確定度優(yōu)于 10-4 量級(jí)，且評(píng)定合理；與傳統(tǒng)方法相比，有更高的準(zhǔn)確度。

5.結(jié)論

改進(jìn)后的脈沖幅度比較法采用常規(guī)儀器實(shí)現(xiàn)了脈沖幅度的準(zhǔn)確測(cè)量，克服了傳統(tǒng)方法采用專用設(shè)備帶來的不便，簡便易行；而且突破了傳統(tǒng)法和高采樣數(shù)表法只適用于低頻周期脈沖的局限，可以測(cè)量各類脈沖，包括單次高頻等類型脈沖，大大拓寬了適用性，在非常規(guī)脈沖幅度測(cè)量上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。