IEEE 1057数字波形记录仪标准的发展述评.pdf

书书书第 卷第 期 年月计 量学报 ，：数字波形记录仪标准的发展述评梁志国，何昭，冯秀娟，刘渊，孙瞡宇（北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京 ；中国计量科学研究院，北京 ；摘要：详细介绍了 数字波形记录仪标准历次版本的技术参数变化，探讨了其所涉及的 类指标特性划分的思想意图，对其所使用的 种基本方法进行了分析与阐述。同时，讨论了标准中仍然存在的一些问题及不足，包括时基误差、多通道同步、绝对延迟、触发参数误差、正弦拟合收敛性等问题，并对该方向未来的发展进行了展望。关键词：计量学；数字波形记录仪；数据采集系统；数字示波器；标准；校准；测试中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：国家市场监管总局国家规范修订计划（）引言当今社会被称为网络时代的信息化社会，海量信息的产生、流转、传播，每时每刻都在进行，并深刻影响着人类生产、生活的方方面面，人称信息爆炸。而我们所处的大千世界是一个色彩斑斓的模拟量主导的物理世界。物理世界的各种模拟量信号与量值转化为数字量信息的核心环节 数字波形记录仪，就显得尤为重要。因而，数字波形记录仪标准及其所阐述的内容，具有其它任何标准无法比拟的重大意义和价值，值得人们去认真分析、探索和研究。该标准本身属于方法类标准，而非产品标准，主要从内在资源和外在特性两大方面阐述了数字波形记录仪有关的术语定义、指标体系、测量评价方法。其概念和物理基础来源于模拟量的波形参数测量，所用的方法和手段则突出了数字化测量过程中的抽样和量化特征。其对于研制相应的仪器设备，开展其性能参数的计量校准，合理选择和使用波形记录仪器等，均具有重要意义和价值。本文将主要从该标准在发展历程中各个版本内容的变化情况，以及内容本身的缺点和不足方面进行讨论，以期望能更好使用该标准，并有利于其技术的进一步发展。标准的发展历程 标准的制定工作并不很早，其在 年推出草案之时 ，我国已有面世的相关标准了 。然而，我国标准主要关注了数据采集系统的静态指标及抗干扰特性等方面内容，对于动态特性，尤其是波形测量特性方面关注不足。标准一经问世，即较全面地规范了数字波形记录仪的术语定义、指标体系、测量方法、数学手段。从发布至今，共出现过 个不同版本 ，其主体框架并未有大的变动，但是内容被不断深化和细化，尤其以资料性附录方式给出的细节性技术内容，被不断丰富和发展。其 年发布的草案版仅有 页（含 页附录），年正式发布版上升为 页（含 页附录），年版之后的 年版已经扩展到 页（含 页附录）。其涉及到的具体指标和参数如表 所示。由表 可见，目前，与我国的静态、动态、瞬态、矢量、抗干扰、触发特性的 大特性分类不同，标准将波形记录仪器的特性分为 类：）体现信号传输匹配特征的阻抗特性；）体现线性传递关系的静态增益和直流偏移；）体现信号传输确定失真的非线性特性；）体现信号传输中随机影响的噪声特性；）体现瞬态响应特征的阶跃响应特性；）体现频域特征的频率响应特性；）体现信号多频分量交互影响的交调失真特性；）体现采样时间刻度特征的时基特性；）体现抵抗异常激励冲击的过载恢复特性；）体现数据信息传输可靠性的误码率；）体现对共模干扰抑制能力的差分输入特性；）体现每次启动测量快慢特性的工间时间；）体现信号特征抓取能力的触发特性。其中，作为阻抗特性的输入阻抗，分别在正常测量状态和过载状态下给出不同的阻抗测量结果，是其特色。静态增益与直流偏移，在 年版及以前的版本中，均同时使用最小二乘独立直线拟合法、端基直线法和正弦拟合法获得测量结果。版及以后的修订中，剔除了正弦激励法，以彰显“静态增益”的意味，本质上并无重大区别。该标准的非线性特性，实际上囊括了几乎所有误差指标，除了传统静态非线性指标的积分非线性、微分非线性，传统动态非线性指标谐波失真、双频交调失真外，最大静态误差、单调性、迟滞性、噪声功率比也被归结为非线性特性部分。而交调失真和噪声功率比在 年及以前的版本中没有。该标准的噪声特性，除了噪声外，还包括谐波失真和杂波。因而，其核心是有效位数指标，它与信杂比（信号与噪声、失真幅度之比）等效，信噪比、杂波、噪声则分别是总体噪声特性中的各个分量。其中的无杂波动态范围，则无疑是本底噪声的另外一种表征方式。在 年及以前的版本中，并无动态范围要求，没有信杂比提法，那时的信噪比相当于后来的信杂比。年版及以后，信杂比被单独定义，信噪比回归主要表征噪声特性的参数。本标准的阶跃响应特性主要是指时域特性，包括体现线性传递特征的阶跃上升时间、预冲、过冲、阶跃建立参数，体现非线性传递特征的压摆率，以及体现采样不完善特征的孔径时间；历次版本中，阶跃建立参数变化较大，年版中，仅有阶跃建立时间一项参数，年发布版，增加了短期建立时间，版及以后版，则分别增加了两种建立时间下的建立误差要求，其本意是建立误差含义不同时，建立时间的含义也将不同。本标准中的频率响应特性，幅频特性被称为增益误差（平直度），相频特性未能单独出现，而以复增益方式给出，均使用阶跃响应特性通过 方法获得。其简化参数为模拟带宽，即可以从上述两个特性中获得，也可以使用正弦激励法直接获得。交调失真特性表征由于非线性因素导致的同一信号不同频率分量之间的互相交叉调制产生的干扰，相当于两个频率分量的倍频及互相拍频等造成的干扰分量。在 年版中并无该项要求，年及以后版本补充了该部分内容。时基特性使用了采样时刻固定误差、孔径不确定度和长期稳定度表征，它们的组合，可将时基特性的随机误差、确定性误差、稳定性误差均包括在内，系统而完整。计量学报 年 月表 数字波形记录仪的技术参数 特性参数测量方法 版 版 版 版阻抗输入阻抗量程过载输入阻抗时域反射计法矢量阻抗计法过载激励法全部全部全部全部增益与偏移静态增益直流偏移最小二乘法端基直线法正弦拟合法全部全部全部剔除了正弦拟合法全部剔除了正弦拟合法非线性积分非线性最大静态误差微分非线性单调性迟滞性总谐波失真交调失真噪声功率比量化码跳变定位法最小二乘法端基直线法直方图统计法 法积分线性最大静态误差微分线性单调性迟滞性总谐波失真积分线性最大静态误差微分线性单调性迟滞性总谐波失真全部全部噪声信杂比（）信噪比有效位数随机噪声杂波无杂波动态范围正弦拟合法直流激励法 法信噪比有效位数随机噪声杂波信噪比有效位数随机噪声杂波全部全部阶跃响应阶跃建立参数：）阶跃建立时间）建立误差 ）短期建立时间）短期建立误差上升时间压摆率预冲和过冲孔径时间阶跃激励法等效采样法阶跃建立时间上升时间压摆率预冲和过冲孔径时间阶跃建立时间短期建立时间上升时间压摆率预冲和过冲孔径时间全部全部频率响应模拟带宽增益误差（平直度）频率响应及复增益正弦激励法阶跃响应法 法全部全部全部全部交调特性多通道耦合多输入耦合正弦激励法无全部全部全部时基特性采样时刻固定误差孔径不确定度长期稳定度正弦拟合法全部全部全部全部过载恢复特性过载恢复时间过载恢复误差正弦激励法绝对测量法相对测量法全部全部全部全部误码误码率统计分析法全部全部全部全部差分输入特性信号端对地阻抗共模抑制比最大共模信号幅度共模过载恢复时间时域反射计法直流激励法正弦激励法合成信号法无全部全部全部工间时间两个独立采集序列首个数据之间的最短操作时间间隔直接测量法全部全部全部全部触发特性触发延迟与抖动触发灵敏度最小触发沿斜率触发对信号的耦合方波激励法三角波激励法正弦激励法全部全部全部全部第 卷第 期梁志国等：数字波形记录仪标准的发展述评误码特性主要表征数据在传输过程中产生的错误概率，尽管重要，但本质上不属于测量特性。该标准的差分输入特性，除了通常的共模电压幅度范围和共模抑制比外，比较有特点的是共模过载恢复时间，以及信号端对地阻抗，该对地阻抗显然有别于上述输入阻抗，是一个要大得多量级的阻抗。共模抑制特性尽管有直流和交流两种，但实际上影响最大的多半是对于工频共模信号的抑制特性，它在工作中往往量值很大，而直流共模抑制特性，最大的防范对象应该是静电造成的共模干扰。其它的共模干扰多数为开关切换造成的电容、电感充放电产生的共模干扰。工间时间特性，表征任何两次独立启动的采集操作之间首个采样点间的最短时间差，属于仪器设备操作速率的一种表征。其越长，表明数据采集系统从待工作状态到获得一组完整数据所需时间越长。该标准的触发特性，明显来源于示波器的触发特性转化，目前主要包含了最基本的几种触发参数，触发延迟与抖动、触发灵敏度、最小触发沿斜率，比较有特点的触发信号对测量信号的耦合特性属于特别要求。除了参数指标项目外，最新版的 版标准已经增加了外参考时钟输入和参考时钟输出的结构框图，以及外触发输入和触发输出端子，即，已经注意并考虑到了仪器的外同步采集问题。基本方法该标准针对数字波形记录仪的性能评价，主要使用了 种方式方法：）等效时间采样法；）离散傅里叶变换法（法）；）正弦波激励响应及参数拟合法；）量化码跳变点定位法；）阶跃响应测量法；）直流输入激励法。其中，直流输入激励法，主要用于评价其静态特性指标参数，结合量化码跳变点定位法，可以评价 转换器每一个量化码的宽度，进而获得每一个量化码处的微分非线性、积分非线性指标，对于丢码等问题也能定量发现，最后还可以获得其静态增益和直流偏移特征参数。当然，随机噪声参数也可以在直流激励条件下较容易获得。有关随机噪声，该标准的一个特点是考虑到了小于量化码宽度的随机噪声的测量评价问题。若没有使用量化码跳变定位法，还可以采用大数据量统计分析法获得其微分非线性等指标参数，其特点是需要海量的统计数据样本，不易实施。此外，将很难获得按码赋值的微分非线性参数的评价结果。正弦波激励响应法可用于评价许多动态参数指标，如交流增益、直流偏移、采样速率、模拟带宽等，而正弦曲线拟合不仅可以提高这些参数的测量精度和复现性，还能获得另外一个重要指标有效位数。实际上，还远不止如此，所有可以尝试用正弦激励响应获得解决的问题大多可以使用正弦曲线拟合法进行处理完成。阶跃响应测量法，主要用来评价数字波形记录仪的瞬态响应特性参数，如预冲、过冲、上升时间、压摆率、建立时间等等。经过加窗傅里叶变换后，还可以获得数字波形记录仪的频率响应特性；等效采样法，主要是面向周期性激励信号的测量方法，有硬件法和软件法两类，该标准所述为软件等效采样方法。它主要是为了解决采样时间间隔不能任意缩短，从而在进行阶跃响应测量时，其时间分辨力受限，因而不易获得阶跃响应特性的问题。等效采样法结合阶跃响应法，将很容易获得数字波形记录仪的阶跃响应特性，进而通过 变换得到频率响应特性，以及传递函数。由此可见，上述 种方法是评价数字波形记录仪的基本方法，仅仅评价其某一项或几项参数时，可能不会涉及到其全部方法，但是若想全面系统地获得其性能指标时，均会获得使用。需要强调的是，这些方法中的多数属于比较复杂的间接测量法或变换测量法，会用到相应的软件算法进行数据处理，与简单的直接测量比较法不同，这些复杂算法的正确性、有效性、鲁棒性以及所带来的参数误差与不确定度，均需要使用标准数据序列模型予以验证和确认，然后才能用于评价测量数字波形记录仪的技术参数和指标。应用领域最新版的 版标准，给出了该标准的典型应用范围及相应关注的性能条款表述，如表 所示。计量学报 年 月表 数字波形记录仪应用领域及关键参数 典型应用领域关键参数性能条款音频信杂比、总谐波失真、噪声、频率响应特性功率功耗、通道间串扰、增益匹配数据采集微分非线性、积分非线性、增益、直流偏移、噪声、过载恢复特性、建立时间、满度阶跃响应、通道间串扰通道相互作用、精度、溯源性数字示波器 波形记录仪信杂比、有效位数、噪声、模拟带宽、过载回复特性、误码率用于宽带幅度分辨力的信杂比、用于重复性的低热噪声、量化码误差率地球物理总谐波失真、信杂比、长期稳定性、噪声毫赫兹响应图像微分非线性、积分非线性、信杂比、有效位数、噪声、过载恢复特性、满度阶跃响应用于边缘锐度检测的微分非线性、开关速率上的高分辨力、模糊恢复雷达、声纳信杂比、交叉调制失真、有效位数、无杂波动态范围、过载恢复特性、噪声用于杂散消除的信杂比和交叉调制失真、多普勒信号处