Генераторы сигналов для поверки и калибровки измерительных приборов

Оглавление

1. Роль генераторов сигналов в системе обеспечения единства измерений
2. Основные требования к генераторам, применяемым для поверки и калибровки
3. Генераторы сигналов как средства измерений, внесённые в Госреестр
4. Поверка генераторов сигналов: процедуры, метрологические характеристики, прослеживаемость
5. Применение генераторов в качестве источников испытательных и калибровочных сигналов
6. Особенности генераторов произвольной формы при решении метрологических задач
7. Практические аспекты выбора и эксплуатации генераторов для поверки и калибровки
8. Типичные ошибки и рекомендации по обеспечению точности
9. Заключение

1. Роль генераторов сигналов в системе обеспечения единства измерений

Генераторы сигналов занимают особое место в современной метрологии. Они одновременно выступают и как объекты поверки, и как средства, с помощью которых осуществляется поверка и калибровка широкого круга измерительных приборов. Без стабильного, точного и воспроизводимого сигнала невозможно подтвердить метрологические характеристики осциллографов, частотомеров, мультиметров, анализаторов спектра, измерителей модуляции и многих других средств измерений.

В системе обеспечения единства измерений генератор сигналов выполняет функцию меры. Он воспроизводит электрический сигнал с нормированными параметрами частоты, амплитуды, формы, фазы и спектрального состава. Именно эти параметры затем используются для передачи размера единицы величины поверяемому прибору. В отличие от пассивных мер, генератор активно формирует сигнал, что позволяет создавать сложные тестовые воздействия, включая модулированные сигналы, пакеты импульсов, сигналы произвольной формы и шумовые последовательности.

Исторически генераторы сигналов развивались от простых LC- и RC-генераторов синусоидальных колебаний до современных цифровых устройств на основе прямого цифрового синтеза (DDS). Технология DDS позволяет получать сигнал с чрезвычайно высокой точностью установки частоты и низким уровнем фазового шума. Частота выходного сигнала в таких приборах определяется соотношением:

\[ f_{\text{вых}} = \frac{M}{2^N} \cdot f_{\text{такт}} \]

где \( M \) — значение частотного слова, \( N \) — разрядность аккумулятора фазы, \( f_{\text{такт}} \) — тактовая частота синтезатора. Современные генераторы обеспечивают разрешение по частоте до единиц микрогерц и относительную погрешность установки частоты на уровне \( 10^{-6} \) и лучше.

В практике метрологических лабораторий генераторы сигналов применяются в двух основных качествах. Во-первых, как поверяемые средства измерений — когда необходимо подтвердить их собственные метрологические характеристики. Во-вторых, как источники испытательных и калибровочных сигналов — когда с их помощью поверяют или калибруют другие приборы. Именно второе применение делает генераторы незаменимыми в повседневной работе поверочных подразделений.

При поверке цифровых осциллографов генератор формирует сигналы прямоугольной, синусоидальной и пилообразной формы с известными параметрами фронта, амплитуды и частоты. При поверке частотомеров используется высокостабильный синусоидальный сигнал. При калибровке анализаторов спектра генератор задаёт опорные уровни мощности и частоты. Во всех этих случаях точность конечного результата напрямую зависит от метрологических свойств применяемого генератора.

Особое значение имеют генераторы сигналов произвольной формы. Они позволяют воспроизводить не только стандартные, но и любые заранее заданные формы сигналов, что необходимо при поверке приборов, работающих со сложными реальными сигналами. Такие генераторы сочетают функции классического функционального генератора, генератора импульсов, генератора шума и модулятора, что существенно расширяет возможности метрологической лаборатории.

Таким образом, генераторы сигналов являются связующим звеном между эталонами и рабочими средствами измерений. Их правильный выбор, своевременная поверка и грамотное применение напрямую влияют на достоверность результатов всех последующих измерений.

Закажите RIGOL DG1022Z генератор сигналов прямо сейчас и получите инструмент с частотой дискретизации 200 Мвыб/с.

2. Основные требования к генераторам, применяемым для поверки и калибровки

К генераторам сигналов, используемым в качестве источников калибровочных и испытательных сигналов, предъявляется комплекс жёстких метрологических и эксплуатационных требований. Эти требования определяются государственными поверочными схемами, методиками поверки конкретных типов средств измерений и практикой аккредитованных лабораторий.

Главным параметром является точность установки частоты. Для большинства задач поверки относительная погрешность установки частоты не должна превышать \( \pm 1 \cdot 10^{-6} \). В ряде случаев, особенно при работе с высокоточными частотомерами и стандартами частоты, требуются ещё более жёсткие значения. Стабильность частоты во времени также критична: кратковременная нестабильность и долговременный уход частоты должны быть нормированы и подтверждены при поверке.

Второй ключевой параметр — точность установки уровня выходного сигнала (амплитуды или мощности). Погрешность установки амплитуды обычно задаётся в виде:

\[ \Delta U = \pm (0{,}01 \cdot U_{\text{м}} + 0{,}002) \]

где \( U_{\text{м}} \) — установленное значение размаха напряжения. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот также нормируется и не должна превышать десятых долей децибела в нижней части диапазона и единиц децибел на верхних частотах.

Спектральная чистота сигнала имеет первостепенное значение при поверке анализаторов спектра и измерителей нелинейных искажений. Уровень гармонических составляющих и негармонических помех должен быть достаточно низким. Типичные требования составляют не хуже \( -40 \) дБс … \( -55 \) дБс в зависимости от частотного диапазона.

Для генераторов, применяемых при поверке осциллографов, важны параметры переходной характеристики: длительность фронта и спада прямоугольных импульсов, выброс и неравномерность вершины. Длительность фронта должна быть значительно меньше, чем у поверяемого осциллографа, чтобы погрешность самого генератора не вносила заметного вклада.

Дополнительные требования включают:

• наличие внешнего входа опорной частоты 10 МГц для синхронизации с более точным стандартом частоты;
• возможность работы в режиме внешней модуляции и внешней синхронизации;
• наличие встроенного частотомера для контроля выходного сигнала;
• стабильность амплитуды и частоты при изменении температуры и напряжения питания;
• низкий уровень электромагнитных помех, создаваемых самим генератором.

Конструктивно генератор должен обеспечивать удобство подключения к поверяемым приборам (стандартные разъёмы BNC или N-типа), иметь защиту выходов от короткого замыкания и перегрузки, а также позволять дистанционное управление через стандартные интерфейсы. Это особенно важно при автоматизации поверочных процедур.

Все перечисленные требования в совокупности определяют класс генератора, который может использоваться в качестве рабочего эталона или источника испытательных сигналов в аккредитованной лаборатории. Только приборы, соответствующие этим критериям и имеющие действующее свидетельство о поверке, допускаются к применению в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.

3. Генераторы сигналов как средства измерений, внесённые в Госреестр

Любой генератор сигналов, применяемый в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должен быть утверждённого типа и внесён в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений (Госреестр СИ). Только после утверждения типа и внесения в реестр прибор может подвергаться поверке и использоваться в качестве средства измерений.

Процедура утверждения типа включает испытания с целью утверждения типа, разработку и утверждение описания типа, методики поверки, а также установление межповерочного интервала. Для большинства современных генераторов сигналов произвольной формы межповерочный интервал составляет один год.

В качестве примера можно привести генераторы сигналов произвольной формы серии DG900Pro. Они внесены в Госреестр под регистрационным номером 96216-25. Тип утверждён приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. Генераторы выпускаются в трёх модификациях, отличающихся верхней границей частотного диапазона: 70 МГц, 150 МГц и 200 МГц. Все модификации имеют два независимых канала, частоту дискретизации до 1,25 ГСа/с и вертикальное разрешение 16 бит.

Аналогичным образом утверждены и внесены в Госреестр генераторы серии DG1000Z. Для них разработана и утверждена методика поверки, устанавливающая объём и последовательность операций при первичной и периодической поверке. Межповерочный интервал также составляет один год.

Внесение в Госреестр означает, что для данного типа средств измерений установлены нормированные метрологические характеристики, определены методы их контроля и обеспечена прослеживаемость к государственным первичным эталонам. Без этого генератор не может применяться при поверке других средств измерений, результаты которой имеют юридическую силу.

При выборе генератора для метрологической лаборатории необходимо убедиться не только в наличии номера в Госреестре, но и в актуальности свидетельства об утверждении типа, а также в наличии утверждённой методики поверки. Эти документы определяют весь дальнейший жизненный цикл прибора как средства измерений.

Важно понимать, что сам факт внесения в Госреестр ещё не делает генератор эталоном. Эталонный статус определяется разрядом по государственной поверочной схеме и подтверждается результатами поверки. Генератор, поверенный по соответствующей методике, может использоваться в качестве рабочего эталона соответствующего разряда при соблюдении условий применения, указанных в описании типа и методике поверки.

4. Поверка генераторов сигналов: процедуры, метрологические характеристики, прослеживаемость

Поверка генераторов сигналов проводится в соответствии с утверждённой методикой поверки для конкретного типа. Несмотря на различия в деталях, общая структура поверки остаётся сходной для большинства современных цифровых генераторов.

Типовой перечень операций поверки включает:

• внешний осмотр;
• опробование (проверка функционирования всех основных режимов);
• идентификацию программного обеспечения (при наличии);
• определение погрешности установки частоты;
• определение погрешности установки амплитуды (размаха) выходного сигнала;
• определение погрешности установки постоянного напряжения смещения;
• проверку неравномерности амплитудно-частотной характеристики;
• оценку уровня гармонических искажений и негармонических помех;
• проверку параметров импульсных сигналов (длительность фронта/спада, скважность);
• проверку работы в режимах модуляции (при наличии).

Определение относительной погрешности установки частоты обычно выполняется методом прямых измерений с помощью электронно-счётного частотомера, работающего от внешнего высокостабильного стандарта частоты. Прослеживаемость при этом обеспечивается к государственному первичному эталону единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭТ 1-2022) в соответствии с государственной поверочной схемой, утверждённой приказом Росстандарта от 26 сентября 2022 г. № 2360.

Погрешность установки амплитуды определяется с помощью прецизионного цифрового мультиметра или вольтметра переменного тока. Для высоких частот применяются термисторные или диодные преобразователи мощности в сочетании с измерителями мощности. Уровень гармонических искажений контролируется с помощью анализатора спектра или специализированного измерителя нелинейных искажений.

Условия проведения поверки строго нормируются. Как правило, температура окружающей среды должна находиться в пределах \( (20 \pm 5) \) °C, относительная влажность — от 30 % до 80 %, атмосферное давление — от 84 до 106 кПа. Перед началом измерений генератор должен быть прогрет в течение времени, указанного в руководстве по эксплуатации (обычно не менее 30 минут).

Результаты поверки оформляются в соответствии с действующими правилами. При положительных результатах выдаётся свидетельство о поверке, в котором указываются действительные значения метрологических характеристик или подтверждается соответствие установленным требованиям. Знак поверки наносится на корпус прибора или на свидетельство в зависимости от требований методики.

Особое внимание уделяется прослеживаемости. Все средства поверки, применяемые при поверке генератора, сами должны быть поверены и иметь действующие свидетельства. Цепочка передачи размера единицы величины должна быть непрерывной и документально подтверждённой — от государственного первичного эталона до поверяемого генератора.

Таким образом, поверка генератора сигналов — это не просто формальная процедура, а комплекс работ, обеспечивающий доверие к результатам всех последующих измерений, выполняемых с использованием данного генератора в качестве источника калибровочных сигналов.

5. Применение генераторов в качестве источников испытательных и калибровочных сигналов

После успешной поверки генератор сигналов становится полноценным источником калибровочных и испытательных воздействий. В этом качестве он используется практически во всех видах поверки и калибровки радиоэлектронных средств измерений.

При поверке цифровых осциллографов генератор формирует набор сигналов стандартных форм. Синусоидальный сигнал применяется для проверки амплитудно-частотной характеристики и точности измерения амплитуды. Прямоугольный сигнал с нормированной длительностью фронта служит для определения полосы пропускания и времени нарастания переходной характеристики осциллографа. Пилообразный и треугольный сигналы позволяют контролировать линейность развёртки. Для современных осциллографов с высокой полосой пропускания критически важна малая длительность фронта генератора — она должна быть существенно меньше времени нарастания поверяемого прибора.

При поверке электронно-счётных частотомеров и измерителей интервалов времени генератор обеспечивает высокостабильный синусоидальный сигнал известной частоты. Относительная погрешность установки частоты генератора должна быть как минимум в три-пять раз меньше допускаемой погрешности поверяемого частотомера. В большинстве случаев генератор синхронизируется от внешнего рубидиевого или цезиевого стандарта частоты через вход опорной частоты 10 МГц, что повышает точность до уровня рабочего эталона.

При калибровке и поверке мультиметров переменного тока генератор создаёт синусоидальное напряжение в широком диапазоне частот и амплитуд. Особое внимание уделяется точности установки действующего значения и низкому уровню гармонических искажений, поскольку мультиметры реагируют на форму сигнала по-разному в зависимости от используемого преобразователя.

Для анализаторов спектра генератор служит источником опорных сигналов уровня и частоты. С его помощью проверяют амплитудную точность, частотную точность, уровень собственных шумов и динамический диапазон. В режиме развёртки частоты (sweep) генератор может имитировать сигналы с линейной или логарифмической зависимостью частоты от времени.

Генераторы применяются также при поверке измерителей модуляции, измерителей нелинейных искажений, фазометров, измерителей отношения сигнал/шум и многих других приборов. Во всех случаях ключевым условием является то, что метрологические характеристики генератора должны быть подтверждены действующим свидетельством о поверке и соответствовать требованиям государственной поверочной схемы для соответствующего вида измерений.

Важным преимуществом современных генераторов является возможность формирования сложных испытательных сигналов: пакетов импульсов, сигналов с заданной модуляцией, последовательностей с изменяющейся амплитудой и частотой, а также сигналов, имитирующих реальные условия эксплуатации поверяемого оборудования. Это позволяет проводить не только стандартную поверку, но и расширенные испытания, приближенные к условиям реальной работы.

6. Особенности генераторов произвольной формы при решении метрологических задач

Генераторы сигналов произвольной формы (AWG — Arbitrary Waveform Generators) существенно расширяют возможности метрологической лаборатории по сравнению с классическими функциональными генераторами. Их принцип действия основан на цифровом хранении отсчётов сигнала в памяти и последующем восстановлении аналогового сигнала с помощью цифро-аналогового преобразователя и фильтрации.

Основные параметры, определяющие возможности такого генератора:

• частота дискретизации (тактовая частота);
• объём памяти (длина записи) на канал;
• вертикальное разрешение (разрядность ЦАП);
• полоса пропускания аналогового тракта;
• количество независимых каналов.

Частота дискретизации напрямую влияет на максимальную частоту воспроизводимого сигнала и на качество воспроизведения высокочастотных составляющих. Для генераторов серии DG900Pro частота дискретизации достигает 1,25 ГСа/с, что позволяет формировать синусоидальные сигналы до 200 МГц и сигналы произвольной формы с высокой точностью. Вертикальное разрешение 16 бит обеспечивает низкий уровень квантования и малые искажения при формировании сигналов с большим динамическим диапазоном.

Объём памяти определяет, насколько длинный и сложный сигнал можно воспроизвести без повторения. Современные приборы позволяют хранить миллионы точек на канал, что достаточно для формирования длительных последовательностей, пакетов и сигналов с медленно меняющимися параметрами.

Технология прямого цифрового синтеза в сочетании с усовершенствованными алгоритмами интерполяции и фильтрации (в том числе технологиями повышения верности сигнала) позволяет получать на выходе сигналы с низким уровнем искажений даже при воспроизведении сложных форм. Это особенно важно при поверке приборов, чувствительных к спектральному составу тестового сигнала.

Двухканальные генераторы дают возможность формировать синхронизированные сигналы с регулируемым фазовым сдвигом. Это необходимо при поверке фазометров, векторных анализаторов цепей, а также при испытаниях устройств, работающих с дифференциальными или квадратурными сигналами.

Наличие встроенных функций модуляции (АМ, ЧМ, ФМ, ШИМ и цифровых видов модуляции), генерации гармоник, шума и импульсов превращает генератор произвольной формы в универсальный источник испытательных сигналов. Один прибор заменяет сразу несколько специализированных генераторов, что снижает затраты лаборатории и упрощает организацию рабочих мест.

В практике поверки генераторы произвольной формы серии DG1000Z и DG4000 успешно применяются для формирования стандартных и нестандартных тестовых воздействий при поверке осциллографов, анализаторов спектра и других средств измерений. Их метрологические характеристики, подтверждённые поверкой, позволяют использовать эти приборы в качестве рабочих эталонов соответствующего разряда.

7. Практические аспекты выбора и эксплуатации генераторов для поверки и калибровки

Правильный выбор генератора сигналов для метрологических целей начинается с анализа задач, которые предстоит решать. Необходимо определить требуемый частотный диапазон, точность установки частоты и амплитуды, необходимые формы сигналов, наличие модуляции, количество каналов и требования к спектральной чистоте.

При выборе следует учитывать не только паспортные характеристики, но и наличие утверждённого типа, действующей методики поверки и возможности обеспечить прослеживаемость. Генератор, не внесённый в Госреестр, не может применяться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, даже если его технические параметры выглядят привлекательно.

Важным практическим аспектом является согласование выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением поверяемого прибора и волновым сопротивлением соединительных кабелей. Большинство генераторов имеют выходное сопротивление 50 Ом. При работе на высокоомную нагрузку (1 МОм) необходимо учитывать удвоение амплитуды и возможные отражения. Использование согласованных нагрузок и качественных кабелей минимальной длины снижает систематические погрешности.

Перед началом работы генератор должен быть прогрет в течение времени, указанного в руководстве по эксплуатации. Обычно это не менее 30 минут. Только после прогрева метрологические характеристики соответствуют нормированным значениям. Игнорирование этого требования — одна из частых причин получения недостоверных результатов.

При необходимости достижения максимальной точности генератор следует синхронизировать от внешнего стандарта частоты через вход 10 МГц. Это особенно важно при поверке частотомеров и при длительных измерениях, где уход опорного генератора самого прибора может внести заметную погрешность.

Рекомендуется периодически контролировать выходной сигнал генератора с помощью независимого частотомера и вольтметра, даже если прибор находится в межповерочном интервале. Это позволяет своевременно выявить отклонения и направить прибор на внеочередную поверку или ремонт.

При автоматизации поверочных процедур генераторы с интерфейсами LAN, USB и поддержкой команд удалённого управления значительно повышают производительность и снижают влияние человеческого фактора. Современные модели серий DG1000Z, DG4000 и DG900Pro поддерживают такие возможности, что делает их удобными для построения автоматизированных рабочих мест поверки.

8. Типичные ошибки и рекомендации по обеспечению точности

Даже при использовании поверенного генератора можно получить недостоверные результаты, если не соблюдать ряд правил. Наиболее распространённые ошибки связаны с неправильной подготовкой прибора, ошибками в коммутации и игнорированием влияния соединительных линий.

Первая типичная ошибка — начало измерений без достаточного прогрева. Параметры опорного генератора и аналогового тракта стабилизируются только после установления теплового режима. Результаты, полученные в первые 10–15 минут после включения, часто выходят за пределы допускаемых погрешностей.

Вторая ошибка — работа без учёта фактической нагрузки. Если генератор настроен на 50 Ом, а подключён к высокоомному входу без согласования, отображаемое значение амплитуды будет отличаться от реального почти в два раза. Необходимо либо переключать выходное сопротивление генератора (если такая функция имеется), либо вводить поправочные коэффициенты.

Третья ошибка — использование длинных и некачественных кабелей. На высоких частотах потери в кабеле и отражения от неоднородностей могут вносить погрешность в единицы процентов и более. Рекомендуется применять кабели минимально необходимой длины с известным коэффициентом передачи и волновым сопротивлением 50 Ом.

Четвёртая ошибка — применение генератора, у которого истёк срок действия свидетельства о поверке, либо генератора, не внесённого в Госреестр, для работ в сфере государственного регулирования. Такие результаты не имеют юридической силы и могут привести к серьёзным последствиям при проверках.

Пятая ошибка — недостаточный контроль спектральной чистоты. При поверке приборов, чувствительных к гармоникам и побочным составляющим, необходимо убедиться, что уровень искажений генератора значительно ниже допускаемых значений поверяемого средства измерений.

Рекомендации по обеспечению точности сводятся к следующему:

• всегда соблюдать время прогрева;
• использовать внешнюю опорную частоту при работах, требующих высокой точности по частоте;
• применять согласованные нагрузки и качественные кабели;
• периодически контролировать выходной сигнал независимыми средствами измерений;
• вести учёт условий применения и результатов промежуточных проверок;
• своевременно направлять генератор на периодическую поверку.

Соблюдение этих простых правил позволяет максимально реализовать метрологический потенциал генератора и получить достоверные результаты поверки и калибровки.

9. Заключение

Генераторы сигналов являются неотъемлемым элементом системы обеспечения единства измерений. Они выполняют двойственную роль: сами подлежат поверке как средства измерений и одновременно служат источниками калибровочных и испытательных сигналов для поверки и калибровки широкого спектра других приборов.

Современные генераторы сигналов произвольной формы, построенные на технологии прямого цифрового синтеза, обеспечивают высокую точность установки частоты и амплитуды, низкий уровень искажений и широкие возможности формирования сложных тестовых воздействий. Приборы, внесённые в Госреестр и имеющие действующее свидетельство о поверке, могут применяться в качестве рабочих эталонов при условии соблюдения требований методик поверки и государственных поверочных схем.

Правильный выбор генератора, его своевременная поверка, грамотная эксплуатация и соблюдение условий применения позволяют обеспечить требуемую точность и достоверность результатов метрологических работ. В условиях постоянно растущих требований к качеству измерений роль точных и стабильных источников сигналов будет только возрастать.

При необходимости подобрать генератор сигналов с подтверждёнными метрологическими характеристиками, подходящий для задач поверки и калибровки, можно купить прибор с учётом требуемого частотного диапазона, точности и функциональности. Актуальная цена и наличие позволяют оперативно оснастить лабораторию необходимым оборудованием.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич