脈沖信號在電子技術、核物理研究等領域有著廣泛而重要的應用，脈沖幅度是脈沖信號最基本的參數(shù)之一，是準確測量上升時間、脈沖寬度等一系列脈沖參數(shù)的先決條件，因此在許多應用中需要對其準確測量。

根據(jù)不同的測量準確度要求，脈沖幅度可以采用不同的測量方法。最方便又直觀的測量方法是采用示波器測量。如果需要進一步提高測量準確度，則可以采用與對應直流電壓進行比較的比較法或直接測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上提出了一種改進的比較法。

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，與對應的可調(diào)直流電壓送入高靈敏示波器經(jīng)差分輸入放大后比較，細調(diào)直流電壓，達到平衡顯示狀態(tài)，讀 取這時的直流電壓即為被測的脈沖頂值或底值，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)及準確判斷、數(shù)字多用表的測量不確定度和測量重復性 等因素，測量不確定度可以達到 10-4 量級，有較高的測量準確度。

從原理簡介中知道被測脈沖要經(jīng)過周期斬波輸出，因此適用于對周期性信號的幅度測量。另外，采用機械 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量。硬件結構上，該方法需要脈沖幅度比較儀和高靈敏示波器等專用設備?；谝陨蟽牲c，應用受到較大限制，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，常用測試點電位器觸點接觸不良， 調(diào)節(jié)不靈敏，影響準確測量；斬波輸出開關頻繁動作，使用壽命有限。

2.改進的脈沖幅度比較法原理

從傳統(tǒng)方法原理剖析中得知，脈沖幅度能否與對應的直流電壓進行比較及準確的平衡顯示是關鍵?？紤]到數(shù)字示波器有存儲記憶功能，將被測波形存儲后顯示在屏幕上，再經(jīng)示波器同一通道輸入直流電壓，可實現(xiàn)同屏顯示，從而便于比較。為準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，設置適當?shù)钠?，在高靈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現(xiàn)脈沖幅測量，其原理框圖見圖 2。

圖 2  改進的脈沖幅度比較法原理框圖

由于比較前后的信號均經(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，可以達到較高的測量準確度（下文有詳細的實例分析）。如果電壓源自身帶有數(shù)值顯示并滿足所需準確度要求，可省去數(shù)字多用表，進一步簡化結構。 目前，數(shù)字示波器幾乎全部具有波形存儲功能，因此該方法的關鍵也就在于高靈敏度下的偏置能力。不同示波器有差異，對于一般的脈沖幅度，如示波器自帶的 500mV、1V 方波,可達到相當于 1 萬線以上分辨力的平 衡顯示，從而實現(xiàn)準確測量；而對于小于 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，平衡顯示時對應分辨力在 1000 線以內(nèi)，因此測量不確定度大于 10-3 量級。如果有高靈敏度數(shù) 字示波器產(chǎn)品，可以提高其測量準確度。鑒于小信號本身技術指標差些，經(jīng)分析某些情況下仍可以使用。

3.改進的脈沖幅度比較法的測量方法和特點

改進的具體操作步驟為：將被測脈沖信號接入數(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)，使細節(jié)充分顯示。存儲該波形并顯示可打開數(shù)字示波器水平光標， 調(diào)節(jié)光標使其剛好壓在波形頂部。波形見圖 3(a)。斷開脈沖信號，將直流電壓信號接入示波器同一通道，幅度 與脈沖頂部值相當，細調(diào)電壓幅度，使之與存儲的波形頂部或光標達到最佳重合。讀取此時直流電壓幅度，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  改進的脈沖幅度比較法波形圖實例

對于噪聲較大的脈沖信號，可以利用數(shù)字示波器的波形平均等功能使其掃線變細，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。

改進法可測量各種脈沖波形。數(shù)字示波器有很強的顯示各種復雜脈沖波形的能力，并可以存儲，其測量高 速脈沖的上限取決于示波器的帶寬（目前已高達 8GHz），因此該方法可以測量各種復雜脈沖波形，如高頻的、 非周期的、甚至單次脈沖，大大拓寬了可測脈沖的種類和范圍，為非常規(guī)復雜脈沖幅度的準確測量帶來極大的 方便。相比于傳統(tǒng)的比較法和快捷準確的高采樣數(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。

4.測量不確定度評定與驗證

4.1  脈沖幅度測量數(shù)學模型

UA = Ut - Ub

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

下面以標稱值為 1V 的對稱方波為例，分別采用傳統(tǒng)的比較法與改進的比較法進行測量，并對測量結果進 行比較分析。

4.2 傳統(tǒng)法的測量不確定度評定

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、多用表和測量重復性引入的 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、信號噪聲和人眼視差等因素有關。該被測信號噪聲小，能設置在較小的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為 50 線/div 下，結合其他因素影響，估計為 25 線/div，即可判讀的細節(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)，設其服從均勻分布，則

獨立重復測量 10 次，測量結果見表 1。

以單次測量作為測量結果時，

以平均值作為測量結果時，

可以認為以上各量互不相關，故：

脈沖底值的標準不確定度：

所以，合成標準不確定度為：

擴展不確定度為：U1 = kuc1 (U A ) = 2 ′ 0.0931 = 0.19 (mV) 由此，測量結果為：U A1 = (1000.16 ± 0.19) (mV)， k = 2

同理，可得當用平均值作為測量結果時，U A1  = (1000.19± 0.17) (mV)， k = 2

由于測量重復性分量所占比重不大，不是主要因素，因此多次測量減小不確定度效果有限，從實用的角度， 一般單次測量即可；并且從不確定度計算結果看，多用表取 5 位有效數(shù)字即可。進一步減小不確定度關鍵在于 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，進一步減小時波形不良，已達到最佳狀態(tài)。

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

4.3 改進法的測量不確定度評定

改進的比較法輸入量Ut （或Ub ）的不確定度來源為數(shù)字示波器顯示分辨力、多用表和測量重復性引入的 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)下直流偏置可設置范圍為±1V，測量脈沖頂部時設為 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

獨立重復測量 10 次，測量結果見表 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，合成標準不確定度為：

擴展不確定度為：

測量結果為：

當用平均值作為測量結果時，

與單次測量結果比較，重復性測試對測量結果準確度改善有限。采用 6 位半數(shù)字多用表是合理的。

4.4  不確定度評定匯總

將兩種方法測量結果的不確定度評定匯總為表 2，可看出改進法比傳統(tǒng)法的脈沖幅度測量不確定度減小 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  測量不確定度驗證

測量結果的差值應滿足下式 ：

將數(shù)值代入兩端：

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

5.結論

改進后的脈沖幅度比較法采用常規(guī)儀器實現(xiàn)了脈沖幅度的準確測量，克服了傳統(tǒng)方法采用專用設備帶來的不便，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)脈沖幅度測量上具有不可替代的優(yōu)勢。