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、多普勒信号处理谱分析信杂比、有效位数、无杂波动态范围、噪声用于高线性动态范围测量的信杂比和无杂波动态范围扩频通信信杂比、交叉调制失真、有效位数、无杂波动态范围、噪声功率比、噪声失真比、噪声用于强干扰环境下小信号量化的交叉调制失真、用于空间滤波的无杂波动态范围、用于通道间串扰的噪声功率比个人通信终端信杂比、噪声功率比、无杂波动态范围、交叉调制失真、位误码率、字误码率、噪声宽带通道边缘、通道串扰、压缩、功耗视频微分非线性、信杂比、无杂波动态范围、差分增益、差分相位、噪声差分增益误差、差分相位误差、频率特性数码录像机数据速率、压缩算法、功耗、输入阻抗视频标准兼容性宽带数字接收机、智能信号、智慧电子、智能通信无杂波动态范围、交调失真、信杂比、噪声用于强干扰环境下小信号探测的线性动态范围、采样频率由表 可见，数字波形记录仪技术，其应用对象不仅覆盖传统的数据采集和波形测量领域，例如数据采集系统、数字示波器等，也涉及到分析类仪器设备，如谱分析、扩频通信、音频分析、视频分析、数码录像机等，另外，还覆盖到早先的一些专用仪器设备领域，如雷达和声纳、数字宽带接收机等。分析仪器和专用仪器此前一直被认为不属于波形测量仪器设备范畴，在数字化测量技术基础上，两者殊途同归，被划为一类，这也是数字化技术发展的必然结果。问题讨论通过以上情况，人们不难发现，该标准的发展与完善过程，是其性能指标及测试方法不断完善、不断发展、不断细化的过程，具体体现就是，其技术参数和指标不断增多，含义及测量条件不断精准和明确，所覆盖的技术性能不断丰富、完整，所用方法不断精细化和完善化。例如，仅仅输入阻抗参数，在其发展过程中，就被精细化为正常测量时的输入阻抗、量程过载时的输入阻抗、差分输入阻抗、差分端子对地输入阻抗等不同含义下的阻抗，测量方法也有针对射频微波频段的时域反射法、针对高频频段的矢量阻抗表法、交流电桥法、针对低频和直流频段特性的电路分析法等。而针对非线性误差一种特性，使用了 项不同的指标参数予以表征，除了积分非线性、微分非线性、测量误差、谐波失真外，还包括单调性、迟滞性、第 卷第 期梁志国等：数字波形记录仪标准的发展述评交调失真、噪声功率等因素。所有这些，对从事数字波形记录仪计量校准、产品研发、仪器应用的人们，无疑是一种良好的借鉴。首先，它可以清楚地展现系统而全面的数字波形记录仪的性能，主要应该使用哪些性能指标和参数进行定量表征；其次，有助于深入研究如何实现和提升这些技术性能，以便确保所研制开发的数字波形记录仪的质量；最后，针对所应用的场合与环境，对哪些技术性能需要约定其基本要求和最低保障措施。尽管该标准已经是一个非常良好的技术文件，足以面对和解决数字波形记录仪的研制、生产、使用、计量校准中的绝大多数问题，但仍然有一些待解决的问题存在其中。其一，是采样时刻固定误差的定义及测量方法；该标准对于采样时基和采样时刻，并未假设其为等间隔采样状态，而是采用了一种更一般的非均匀采样状态假设。认为每一个采样时刻都是一个独特的独立量值，其相对于理想位置的差异的非随机部分，被定义为采样时刻固定误差。标准中使用正弦曲线的采样序列拟合回归模型，然后使用采样点上的样本幅度值与回归曲线之间的偏差折合获得采样时刻固定误差。从技术原理上，该方法并无不妥，但在技术逻辑上存在问题。通常，采样间隔是一种频率量，可轻易获得非常高的准确度，例如 ，而幅度误差，则远大于采样间隔误差，例如 的数字示波 器，其 量 化 误 差 造 成 的 幅 度 误 差 将 达 到 ，的数据采集系统，其量化误差造成的幅度误差将达到 ，均远高于采样间隔的误差水平，因而，从误差较大的幅度偏差值推算获取误差较小的采样时刻误差，存在技术逻辑不合问题。相反，在实际中更有应用价值和应用前景的等间隔采样时的采样速率及其误差的测量评价方法并未予以特别关注。其二，该标准主要考虑的是针对单一变量、单一通道的波形采集记录情况，并未考虑多通道波形测量所涉及的多通道同步采样测量问题 。缺乏通道间延迟时间差的定义及测试阐述，不能适应多通道同步测量及因果分析的应用要求。而一旦涉及到多通道问题，则又会产生出单台式仪器结构、分布式仪器结构、远程异地多通道数字化测量问题，时基统一问题，时间同步问题等，它们的定义及评价方法，应该包含进该标准中。其三，该标准业已考虑了频率特性的评价测试问题，但仅限于幅频特性，缺乏相频特性的确切表征与阐述。其根本原因，在于缺乏波形记录仪系统采样输出过程中，由采样时刻到数据输出时刻之间的绝对延迟时间 管线延迟（）的测量评价方法。它相当于系统的群延迟时间。有了这方面的特性参数，其相频特性的测量与表征将获得解决。进而，可望给出传递函数的评价结果。其四，该标准已经包含了触发特性的测量评价内容，触发条件的基本形式均是在一定脉冲沿条件下的触发电平控制。分别以触发延迟、触发抖动、触发灵敏度、触发沿斜率等参数控制触发条件；甚至还给出了触发通道阻抗、触发信号对测量的耦合干扰的参数要求。由于触发脉冲信号不可能完全理想，即触发沿斜率不可能无限大，导致任何一次触发中，触发点的位置相对于理想位置的差异都可能为触发延迟和触发电平误差综合作用的结果。而关于触发幅度误差、触发延迟误差的有效分离和甄别，该标准还存在不足，有待于进一步完善。其五，正弦曲线拟合法作为该标准的一个核心方法，并获得了广泛应用，包括四参数拟合 方法 、三参数拟合方法 ，但是其四参数拟合迭代的收敛性问题一直是一个重要问题，应予以关注和解决，而其历次版本之中，该问题一直存在，仍然未能受到关注和解决。其六，共模抑制比与最大共模电压范围被列到差分输入类别特性有些问题。实际上，不仅是在差分输入下才会有抗共模电压特性，当波形记录仪采用浮离地技术时，其信号端子与机壳“地”和本地的大“地”是处于隔离的不共“地”情况，此时，无论其输入结构是否为差分式，均能抗击共模信号干扰，均有共模抑制比的指标，且可以测量评价。其七，该标准用到了许多数据处理方法与算法，如正弦参数拟合、加窗 等，但是有关算法的验证确认方面阐述比较薄弱，每一种算法会带来多大的不确定度方面仍然需要完善。目前各项指标参数的不确定度方面的陈述比较欠缺，需要后续很多工作的支撑和完善。另外，对于有多种选择方法的情况，应该给出优劣的比较顺序，以便于应用时进行参考。有关数字化波形测量，除了该标准以外，还制定了 模数转换器术语及测试方法 ，以 芯片为主，属于 标准的补充 。此外，针对同一主题，国际电工委员会 也制定了自己的相应标准 和 计量学报 年 月 ，内容与要求略有缩减，限于篇幅，本文不再赘述。我国在该方面的类似标准，当属 数字存储示波器通用规范等标准 。与 和 的标准相比，我国制定的标准，指标参数往往少得多，其系统性和全面性显得不足，涉及到参数的测量评价方法方面，多采用简单的直接测量法、比较法等，很少使用较复杂的间接测量法，其准确度往往受限。原因之一是缺乏系统性长时间的深入研究活动。在参与起草和制定标准的人员方面，国外发达国家的标准制定人员，主要是标准所涉及内容方面的技术专家群体，一直从事该方向上的各种研究活动；标准中的很多方法与手段就出自其研究成果的标准化。这些经验和做法对我国相关标准的起草和制定值得借鉴。结论综上所述可见，尽管 标准的内容已被刻意简化和平民化，但仍然是一个极为复杂的技术标准，标准执行时的技术储备和技术门槛较高。但是，标准的制定者并未因噎废食，由此放弃标准技术指标参数的系统化、体系化、完备化的努力。其大量细节性内容被置于附录章节，以作为补充、解释和衬托。这导致了其能成为经典和权威。这一点与我国目前的许多标准制定思路完全不同，我们通常习惯于将具有复杂性和难度的内容直接删除，其结果可能永久地阻碍我国标准的发展进程。因为技术对象本身的特征，就是复杂、繁琐和具有特殊难度的。通过比较可知，标准是目前该方向上最优秀的标准，值得每一个人认真研读、分析、应用，无论是所涉及的仪器设备与技术的研究者、研制者、使用者，还是其计量校准人员，甚至是各种专门制定标准的标准化委员会的管理者，都能从中找到可供自己学习、借鉴和使用的内容。对于仪器研制者，若能系统理解和掌握其指标体系、应用领域特征，将更加促进仪器研发工作。对于计量校准人员，如没能掌握标准所要求的六种基本测量方法，将无法全面进行波形记录仪器的计量校准。对于标准化委员会及标准管理者，如果能发动稳定、可靠、广泛的科学家群体研究制定标准，依靠专业人员，也一定可以制定出优秀标准。尽管如此，标准仍然存在一些待发展和完善的部分，为后续研究者提供了施展空间。此外，标准里列入了单调性（）和迟滞性（）参数，以往，它们较少被有效分离、发掘和关注。即，哪些类别的波形记录仪器会出现这类现象？其是否具有普遍性和显著性？其物理机理是什么？如何降低或避免单调性误差和迟滞性误差？这些将有望成为波形记录仪器研发人员需要特别考虑和关注的问题。当人们关注到一个科学家群体，在几十年的时间里一直在持续研究和发展同一技术方向时，其所制定 的 标 准 无 疑 是 有 令 人 欣 慰 的 理 由 的。恰是这样的标准。参考文献 王述杭，数据采集系统鉴定规范（草案）中国空气动力学会测控专业委员会，梁志国正弦波同步采样条件的识别与判定 计测技术，（）：，（）：，（）：，梁志国四参数正弦波组合式拟合算法 计量学报，（）：，（）：梁志国数据采集系统非典型故障的识别与定量表征 计测技术，（）：第 卷第 期梁志国等：数字波形记录仪标准的发展述评 ，（）：梁志国，刘渊，何昭，等，复杂波形的事件分解合成及定位方法 计量学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：梁志国非均匀采样条件下残周期正弦波形的最小二乘拟合算法 计量学报，（）：，（）：梁志国，何昭，缪京元，等，一种调制度测量仪的数字化精确评价与溯源方法 计量学报，（）：，（）：，：？（），（）数字存储示波器通用规范 数字存储示波器通用规范 地面计算机测控系统输入输出子系统性能鉴定要求和方法 中华人民共和国航空工业标准，数据采集系统校准规范 第 版北京：中国计量出版社，数字存储示波器校准规范 第 版北京：中国计量出版社，第一作者：梁志国（），男，黑龙江巴彦县人，博士，北京长城计量测试技术研究所研究员，博士研究生导师，主要研究方向为数字化测量与校准，模式识别，动态校准，精确测量。：计量学报 年 月