中国计量科学研究院    缪京元

 美国力科公司    汪进进

缪京元:

我想和您讨论的是,您在这次提到的”示波器是一种调试的仪器,而不是一个可以溯源的计量仪器”的说法。

由于我是从事示波器计量工作的,根据我的工作经验,我不完全同意您这种说法。溯源和计量在计量学上是有准确定义的,在这个定义的概念下,示波器是一种可 以溯源的仪器。并且示波器也可以作为计量标准器使用。另外您提到的10%准确度的定量概念时,也应该强调一下这个“一般条件下”所指的内涵。由于示波器作 为一台功能和自身指标都相当复杂的仪器,它自身的每项指标也都是有严格定义的。所以对于每个示波器使用者测量需求而言,他们所需要的准确度——或者更确切 的说,测量的系统误差以及测量不确定度——通常都不能简单引用datasheet上面的指标,而需要根据这些指标进行换算。这种换算的结论并不一定非常 好,但也不一定非常差,需要用户来判别是不是适合使用。

我非常同意你在文中所讲,现在很多示波器销售厂商都将一些指标进行概念性的炒作,而造成用户对于技术概念更加困惑的说法。我想解决之道也是需要在行业内的 技术人员能够把炒作背后的真实技术含义明了有效的告诉用户,以及行业自律,而不能用另外一个不准确的概念替换一个不准确的概念。

以上是我的观点,希望与您交流

汪进进:

很感谢您回复的邮件! 这是很严谨和学术的态度!

我对计量方面了解不是很多,"示波器不是一个可以溯源的计量仪器”的说法我经过了一些考证,但也许不是非常地严谨。我应强调的是示波器在垂直量的测量方面 不是一个可以溯源的仪器,因为其ADC只有8位。  您提到,"示波器也可以作为计量标准器使用",可以分享一下这方面的详细信息吗?  哪些仪器是用示波器作为计量工具的? 是采样示波器还是实时示波器?  在我理解,是难以想象它能作为垂直量的“源头”的。

当我说10%的时候,如果单独说这样的话,确实是会引起误解和混淆。 因为用示波器测量标准的直流信号源,精度是可以到+/- 1.5%的。但总体来说,示波器的测量精度受到的影响因素非常多,如1,放大器(包括示波器和探头)的线性度,2,探头的地线(地线长短,地环路的位置, 形状等),3,地环路的干扰,4,量化误差,5,探头的负载效应在不同频率下的值不恒定 ,6,探头摆放的位置,7,接近探头前端的寄生参数,8,探头/示波器的反射9,被测线路的阻抗在不同频率下的值不恒定,10,共模补偿,11,非线性相 位响应。 当您在测量比较幅度时,很容易产生10%的差别!

对于下面的说法,我非常赞同: "所以对于每个示波器使用者测量需求而言,他们所需要的准确度——或者更确切的说,测量的系统误差以及测量不确定度——通常都不能简单引用datasheet上面的指标,而需要根据这些指标进行换算。"

是否可以给我分享一些关于计量和溯源的基础性文章?
  

缪京元:

 1计量和溯源方面的定义,应该是可以很方便的从网上查到的。示波器是一个多参数仪器,多功能仪器,考虑这类仪器的计量问题,通常的办法是将不同的参数分开 溯源到不同的基本量上。电压最终溯源到国家直流电压标准装置上,时间相关的参数最终溯源到铯原子时间频率标准上,频响溯源到微波功率国家基准上,上升时间 溯源到脉冲波形参数国家基准上,阻抗溯源到高频阻抗标准和网络散射参数标准上。每一套溯源的量值传递方式都是由对应的计量器具检定系统表作为国家的法律法 规文件支撑着。

 2 示波器被当作计量标准器具使用不是个别现象。我想应该先和您讨论一个更高层次的测量问题。泛泛的讲如果需要得到一个相对更高准确度的测量结果,那么就一定 需要在这个测量过程中加入更多的约束条件,相反地如果将约束放的更加自由,那么相对而言测量准确度也就更有可能无法保证的。换句话说,如果想提高某个参数 的测量准确度,就不能让测量的过程更加自由。另外,在我们计量工作者眼中没有什么是绝对准确的,绝对稳定的,而是看在一个实际的测量中是不是能够提供满足 要求的稳定性和复现性——至于准确度甚至都不是问题,如果必要的话,会想法设法的取得系统误差,修正测量结果。所以用示波器作为计量标准器具使用并不是什 么不可以的事情。如作为函数发生器脉冲发生器的瞬态响应的测量工具。高带宽的数字实时示波器和高带宽的取样示波器都是可以作为标准的。示波器校准仪快前沿 有源头9550的25ps脉冲上升时间也是靠50GHz取样示波器溯源的,其不确定度可以很容易的达到3ps(k=2)。当然这时候取样示波器只是作为计 量标准系统中的一部分,不同于你所说的源头。我们还有溯源取样示波器上升时间的方法。我想你可能对可溯源和量值的源头两个概念有些混淆。

3 您提到的线性,量化误差,非线性相位响应的问题,我都做过一定的深入研究。当然这三个问题中的每个问题都不是一句话能够说清楚的。简而言之,他们都随频率 升高使示波器的参数恶化。探头作为一个测试中常用的网络器件,要单独评估其对一个测量过程的影响,您说的,5,6,7,8,10是次类问题。我们通常会对 其指标进行单独溯源。并且剩下的一些因素,比如3,9等和电路设计的可测性有关。

4 提高示波器的测量准确度不是不可能的事情,但是通常意味着需要使用者花更多的成本——花更多的资金,买更高档的设备;花更多的时间成本,学习高级测量技 巧。我和同行交流的时候通常会用数码相机类比示波器,不甚恰当,仅供您参考。中低端示波器犹如卡片机,中高端示波器犹如单反。不同的人对相片的质量有着不 同的要求。当然单反也有AUTO档,但我相信这并不是单反的全部。厂商为方便用户设置很多情景模式,降低了用户对设备熟练的要求,但是高级用户还是可以通 过基本的设置得到高画质的。不要羡慕别人的照片比你的清楚,别人有可能设备比你好,更有可能是比你更加掌握正确曝光。当然最求更高的画质的设备还有全画 幅,甚至不说135,还有数码120。但是好像现在最偏一个数码120也要8,9万吧。人人都弄一个数码120是不是显得太烧器材了,呵呵!

最后,感谢您这么晚给我回邮。非常高兴能和您就示波器的技术问题进行交流。     

汪进进:

非常感谢!

您的回复让我明白我的表达不够准确,您看如果这样表达是否确切,“示波器不是一种在垂直量测量方面可以作为源头的仪器”?　这是我的本意。

您提到的用示波器来计量上升时间是有可能的,但我不确定是否有仪器是用示波器来计量幅值的?

我认同您的"相对的"概念,在计量中这个理念估计是"刻骨铭心”的呵。

从垂直量的测量,特别是峰峰值的测量,我认为“示波器是一种10%误差的仪器”的说法是成立的.　但我不确定用"误差"这个词是否确 切?　在实际测量中,特别是对于不规则的信号测量,在我提到的11种影响因素下,很容易就产生了10%的测量误差。　在示波器的各种指标中,DC精度 是+/- 1.5%。除此之外,没有其它的垂直量指标需要计量。

我不完全赞同您在第4点中的观点。　上升时间的测量准确度和示波器的带宽直接相关。　带宽越高,上升时间的测量结果越精确。　 但对垂直量的测量结果影响不是很大,在带宽满足基本要求之后。　我们说测量准确度是一个不够Specify的概念,可能应指出是什么物理量的准确度，譬如 是说上升时间的测量准确度,还是峰峰值的测量准确度。

期待下次来京时能拜访您,向您请教关于计量方面的一些问题!

谢谢指教!
 

缪京元:

 您的深夜回邮,总让我觉得和您持续的讨论会不会影响您的生活,呵呵!亦或您在其他的时区。

我想再次强调测量条件约束的问题。如果我们有能力更多的约束测量能力,我们就可以进一步的提高准确度,无论是幅度还是其他的什么参数,都是一样。比如简单 的一个脉冲幅度的准确度,如果用示波器进行测量,您觉得准确度会到多少呢?有可能10%。的确有可能。但是如果我的信号直接来源于某个脉冲信号源,于是只 用50欧姆特征阻抗的电缆连接呢? 于是和探头相关的影响纷纷消除了。进一步的我降低脉冲信号的重复频率,提高的它的脉宽,开平均方式呢!如果用一个“好一点”的示波器测量这个脉冲信号的脉 冲幅度,它的准确度会有多大把握呢?我们用这种方式可以将脉冲幅度的测量不确定度做到优于0.7%+2mV(k=2),这个指标是中国计量院代表中国签订 的MRA(国际互认协议)的CMC(校准能力)表中的内容。而实际上这个结果还相对保守。在实际应用中,我们还会应用示波器对幅度相关量的指标做出 0.5%的不确定度的测量。呵呵!

但在实际中并不是所有测量全都能达到条件,在很多测量中你所提到的11个因素是存在,于是就有了关于“10%”的说法。但我想表达的意思是,这就是计量。 考虑加什么样的限制条件后,能够得到什么样的准确度。通过能够清楚描述测量不确定度的测量,对被测对象进行赋值的活动就是量值传递,在这个过程中被测对象 也相应的得到了量值溯源。所以示波器无论在幅度的参数上还是在其他的时间等参数上都是有溯源性的,或者说可溯源的,并且也可以在其测量不确定度的范围内进 行量值传递,为被测对象的幅度以及时间的参数提供溯源。计量是单位统一,量值可靠的测量。以上的那些测量全都可以算是计量概念涵盖内的。但是,如果逐步放 宽测量的约束条件,使用探头,对自己设计的系统板卡上面某个信号进行测量,有各种各样产生测量误差的因素,甚至产生测量错误的因素共同影响测量结果,那么 我想这个过程是没法称为计量,只能叫做测量或者测试。

OK,总结回顾一下我的观点,示波器可以当作计量仪器使用,并且它可溯源也可以为被测对象溯源。同时有很多因素会影响示波器的测量误差。示波器在测量中可 不可以被当作计量仪器使用并不是由示波器决定的,而是有测量的条件决定的。我想你一定要说10%那句话,你可以说“在很多实际测量中,示波器的测量准确度 甚至会比10%还差。”要是能说两句的话,那么还有“具体到每个测量值的准确度(请允许还用准确度这个不准确的概念,也许这个词可以更好的和大家进行交 流),不能单纯的认为成手册上的某一个指标,而需要根据实际测量的条件对手册上的指标进行折算,对一些影响因素进行评估,最终的准确度比10%还差也是有 可能的。”

 示波器的幅频特性,本身就是对示波器垂直指标的一种计量方式,并且我们还经常计量示波器对于标准幅度脉冲的幅度(Vamplitude)进行计量,这项指 标要满足示波器说明书中对于双游标电压测量准确度的指标。当然也可以认为这项本质还是对于直流性能的评估。另外还有所谓的动态有效位数,是指在不同频率 下,示波器等效的垂直分辨率的位数。这一项通常都很差,所以一般厂商都不愿意给出。根据我们的研究,这项指标是可以计量的,只是我们把这项指标给了用户, 用户会更加困惑,他们不了解我们给出这样的数据意味着示波器合格还是不合格,呵呵!我们也难!

最后,非常欢迎你有机会来北京以后与我联系！呵呵!
 

汪进进:

这种讨论对我是大有裨益的!

通过你这封邮件的回答,我想我们是基本达成了共识的沟通!但对于有效比特位的问题,三家的指标差不多,只是在不同的频点不一样，有些厂家会将某个频点的最好比特位来作市场宣传。

最近我在着力研究"示波器信号保真度"的问题,在我们看来包括以下几个方面的评估: 1.阶跃响应,2.频响特性,3. 眼图,4. 时基稳定性,5. 抖动基底噪声,6. 本底垂直噪声,7. 信号噪声失真比,8. 有效比位,9.SFDR,这些指标有很多是厂商之间的“互咬”。　甚至有的公开的指标是一种Sales talking的指标。关于以上这些方面,我不知道您是否对有从计量方面的研究?　　如果可能的话,敬请能分享一下。

我期待尽快实现对您的拜访!

缪京元:

一提到示波器信号保真度,让我想起了康纳德Fernandes同学,我应该最先从他嘴里听说的这个词,但是貌似还没有将这个词的概念说的太清楚。你说的几 个方面有些我们涉及过,但都不是一句话能说清楚的,需要慢慢的细致交流,呵呵!至于sales talking的指标,我通常还是有过滤机制的。呵呵!方法很简单,就是看一个这个新概念的定义,然后再按照定义验证一遍。这样做很容易就知道取真实的意 义了。

 期待你的来访。

备注：

关于峰-峰值的测量，下面这个图片很能说明问题。下面是两个几乎完全重合的波形，如果不仔细查看，很难看出什么区别。但实际上是两个波形。 从图中看到，测量出的峰-峰值分别是1.15V和945mV,误差超过了15%。