● 摘要
数据采集系统是以数字化的测量序列给出模拟物理量的波形测量结果，因而是信息化、数字化测量技术的关键环节，在现代测量领域获得了广泛的应用，几乎每一处波形测量的最终环节，都要用到数据采集系统。本文在分析了国内外数据采集系统校准技术现状及发展历程的基础上，围绕着其校准实践中若干具有共性的基本问题，进行了深入而系统的研究。首先简介了数据采集系统的标准与法规发展状况，对国内外数据采集系统的校准原理、方法、误差和不确定度评定概况进行了评述。分析了正弦波形曲线最小二乘拟合中的基本问题，1）提出了一种四参数正弦波曲线最小二乘拟合的收敛算法，并给出了收敛区间，为正弦波曲线拟合、正弦波抖动分析和调制信号解调奠定了基础。2）提出了一种拟合软件评价指标体系，以定量评价正弦波拟合软件。3）讨论了影响正弦波拟合参数的几个误差因素：谐波、噪声和抖动。为正弦拟合参数的不确定度分析和评定提供了依据。针对正弦拟合参数不确定度的评定，1）提出了一种专门用于正弦波形测量序列的自适应数字滤波器。它在理论上有不影响拟合正弦波的四个模型参数，能同时滤除所有偶次谐波和任意指定的奇次谐波的特点，为降低正弦拟合参数的不确定度提供了技术手段。2）提出了一种周期信号的谐波分析和测量方法，给出了误差分析结果；3）提出了一种正弦信号的抖动分析方法，它可以同时给出正弦波形四个参数的抖动结果，时间分辨力为一个采样间隔。4）提出了一种正弦序列动态噪声的测量方法，可用于数据采集系统动态噪声的测量。为正弦拟合参数的不确定度评定提供了条件。对数据采集系统的有效位数校准结果受正弦激励信号源噪声失真影响，用能量守衡原理导出了计算公式，为动态有效位数建立溯源性，并溯源到正弦信号的失真参量上提供了理论依据。针对数据采集系统瞬态特性校准，提出了一种周期倍差法用于获取数据采集系统的瞬态特性，用数论中的定理从数学上证明了该方法的严密性，这种以测量方案实现的等效采样方式，突破了数据采集系统采样间隔的局限，可以获得远远高于采样间隔的时间分辨力。结合周期倍差法与模式识别方法，对数据采集系统的频率特性和传递函数实现了评价。针对数据采集系统时基和触发特性校准，1）提出了一种基于正弦信号激励的数据采集系统触发特性精确测量方法，实现了时基误差、触发电平、触发电平系统误差、触发电平抖动、触发时刻、触发延迟误差、触发晃动、触发沿斜率等触发指标的精确测量评价，给出了误差分析结论。2）提出了一种基于正弦信号激励的数据采集系统通道间延迟时间差的精确测量方法，给出了不确定度评定结果。该方法的测量分辨力可以远小于采样间隔。3）提出了一种基于正弦信号激励的数据采集系统采集速率的精确测量方法，并进行了不确定度评定。最后对全文进行了总结，并展望了今后需要进一步开展的工作。