标准雷电波测量用数字记录仪非线性评价方法

　　0　引言

　　雷电浪涌波是自然界普遍存在的一种高压脉冲,在电力、军事、建筑等领域中应用的许多电气产品,如避雷器、变压器等出厂前都需要通过标准雷电波冲击试验。通常冲击试验中的雷电波是标准波,即波前时间和半峰时间分别为1·2μs和50μs的脉冲波。由于标准雷电波信号往往是瞬态的一次过程,量化误差、采样误差、漏码等因素皆会影响数字记录仪的测量结果,可以说数字记录仪的幅值非线性越小,其测量雷电波参数结果的准确度就越高。目前一般的冲击测量用数字记录仪的核心部件为示波器或数字采集卡,目前我国针对这两类设备有一定的校准规范。例如,在数字示波器校准规范中[1],通过求动态有效位的方式来评定动态特性,即采用一种由曲线拟合试验通过计算均方根误差评定动态有效位。但是在计量校准实践中发现,通过该方法得到的评定结果与校准源谐波分量的大小直接相关。因此,虽然对示波器来说动态有效位这个指标十分重要,但是鉴于目前的校准信号源难以达到要求,所以常规校准无法进行此项工[2]。再如,针对数字采集卡的校准规范中[3],并未针对测量仪转换码的非线性进行核查,而是通过端基直线法计算其线性度的方法对量程线性度进行核查,即在每通道测量范围内只选择11个校准信号点再计算线性度。相比来说, IEC61083-1“高压脉冲试验中测量用仪器和软件”[4]中推荐的测量仪非线性特性的评定方法相对复杂和严格,其以转换码为考察对象,细度要求高,而且结合雷电波的波形特点针对直流和高频信号的响应提出了静态非线性和动态非线性的试验方案和考察指标。本文在介绍这两种评价试验的基础上,重点针对动态试验的输入信号方式进行了探讨,分别用国家标准[5]推荐的三角波方式和正弦波方式对测量仪的动态特性进行评定,寻找便于校准实施的试验方案。

　　1　幅值非线性概述

　　数字记录仪的ADC (模数转换器)将模拟量转化为一系列离散的数字量,理想的ADC每个字码宽度应该相等。但是实际的ADC不可避免地存在非线性度。非线性越小,记录仪性能越好,测量准确度越高。数字记录仪的静态整体非线性Sm为全部数码的整体非线性s(k)的最大值。每个数码的整体非线性s(k)为直流电压下实测的量化特性和按静态刻度因数计算理想的量化特性上数码k对应的两个输入电压之间的差[5]。见图1。

　　图1中,曲线1和曲线2分别为数字记录仪理想的和实测的量化特性;为使图形清楚起见,以低分辨力的4位数字记录仪为代表。

　　数字记录仪的局部非线性Dm为全部数码的局部非线性d(k)的最大值,每个数码的局部非线性d(k)为数码k的实测数码宽度w(k)(即数码k代表的实际输入电压区间,简称码宽)与平均码宽w0(即一个数码理论上可代表的输入电压区间,等于满量程电压与额定分辨力的乘积)之差除以平均码宽,即d(k)=[w(k)-w0] /w0[5]。见图2。局部非线性又包括静态局部非线性和动态局部非线性。