自校準技術在多通道測試設備中的應用

陳阿琴，門伯龍，劉民

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引言

隨著自動測試技術的發展，各種多通道的測試設備層出不窮，測試設備已不再局限于單一的輸入輸出。然而從電學各個參量的標準來看，多以單一輸入輸出為主，這給多通道設備的校準帶來了一定的不便。傳統的方法是采用手動校準方案，該方案校準項目繁多、數據量大、人工干預較多、引入誤差較大;也有人提出了基于開關模塊的方案，通過外接開關模塊的切換采用分時復用的方法來對多通道設備進行校準。基于開關模塊的方案減少了人工干預，實現了自動校準，但開關模塊的引入給整個校準系統帶來了一定影響，而且該方案對開關模塊和多通道設備接口的配合度要求較高，同時也增加了校準成本;再則開關模塊的通道數往往有限，當通道數在幾百甚至上千路的時候，要找到合適的開關模塊難度將增加。如何能更好地對每臺多通道測試設備進行校準成為本論文研究的重點。既然校準成為每臺儀器必不可少的測試項目，那么我們在設計儀器的時候何不將自校準功能在該臺儀器中實現了[1]。本文以50路模擬電阻設備為例說明自校準技術在多通道設備中的應用。

1 系統總體設計

對于多通道模擬電阻設備，由于數字電阻的溫度漂移較大，在長期使用中不進行定期校準必然會帶來一定的誤差，使用通用設備進行校準十分麻煩，因此在設備中內置校準功能，將使設備的準確度得到保證。

系統設計主要模塊包括模擬電阻輸出部分、基準源部分、開關電路部分、AD采樣部分、主控部分和輸入輸出接口部分，見圖1。其中:

1)模擬電阻輸出部分用來輸出模擬電阻;

2)基準源部分為自校準電路提供高精度電壓源;

3)開關電路部分為自校準電路提供多路切換校準測量;

4)AD采樣部分為自校準電路測量結果進行模數轉換便于傳輸;

5)主控部分協調各部分電路工作;

6)輸入輸出接口部分提供校準內部基準源接口和外接外部基準源接口。

圖1 系統總體設計結構框圖

2 自校準設計

自校準單元主要包括參考電壓源、精密電阻、模擬開關、正向跟隨器、高精度模數轉換器和微控器，其結框圖如圖2所示。

圖2 自校準單元結構框圖

內部基準源部分由高穩定度、低溫度系數的電壓基準AD780來實現，對于該電壓基準的校準可以通過輸入輸出接口外接高精度數字電壓表準確測量電壓值，通過上位機軟件將該電壓值寫入內部存儲器中以備用。

對于精密電阻的選擇要綜合考慮，要盡量選擇溫度系數低的電阻，本設計選用的電阻在20℃情況下，阻值變化為0.01%，能夠滿足校準精度的要求。AD采樣部分要綜合考慮精密電阻的阻值、參考電壓源及要校準電阻的范圍，本設計選用的精密電阻為180 kΩ，參考電壓為2.5 V，最小誤差范圍為10 Ω，這樣通過以上標定電路可計算知采樣AD至少為20 Bit;AD采集部分選用LT公司的24位高精度模數轉換器LTC2400，是由于本系統測量通道數很多，因此在LTC2400的前端使用多路模擬開關對ADC進行復用。使用7片CD4097(雙8選1模擬開關)構成一個雙50選1模擬開關，使用模擬開關的觸點1～50在輸出的各個電阻之間進行切換;在雙50選1的模擬開關和ADC之間接入8選1模擬開關CD4051，在要校準電阻和外接ADC校準電壓之間進行切換[2]。

2.1 自校準工作流程

自校準具體的實現過程如下:

1)首先通過主控部分控制繼電器切換到標準電壓源電路，整個設備進入自校準過程;

2)雙50選1的模擬開關通過切換到要校準電阻回路，再通過一個8選1模擬開關切換分別得到精密電阻端電壓和需校準電阻端電壓;

3)通過精密電阻端電壓可以求得回路中電流，再通過回路中電流和測量電阻端電壓可以知道測量電阻的電阻值，通過與設定值比較可得到該點的校準值;

4)依次重復2，3過程可以得到各個通道下設定電阻的校準值。

以上自校準過程是在自校準系統本身的參數經過校準的狀態下進行的，對于自校準系統本身參數的校準是通過輸入輸出接口部分外接標準設備對內部精密電阻、AD采樣電路、內部基準電壓源進行校準，并將校準值寫入內部存儲器中，以備在計算測量電阻校準值時采用。

2.2 內部ADC采樣通道的校準

對于內部ADC采樣電路的校準采用外接標準源的方法，通過輸入輸出接口將外接標準電壓源接入，切換開關部分將ADC采樣電路輸入端接入標準電壓源。對于ADC采樣電路的校準方案，根據不同的精度要求可分為線性擬合和非線性擬合[3－6]。

1)線性擬合方法

假定在ADC采樣范圍內滿足y=kx+b，對于線性擬合也可分成兩種，一種是兩點校準，另外一種是多點校準。

兩點校準方案是通過標準源輸入ADC采樣滿度值的10%，這時ADC采樣可得到電壓值U1，再通過標準源輸入ADC采樣滿度值的80%，ADC采樣可得到電壓值U2，由此可得到

通過聯立解方程可得該ADC采樣通道的線性校準因子 k，b。

多點校準是通過在ADC采樣電壓范圍內均勻選取多個采樣點進行測量，采用最小二乘法可以得到線性擬合參數k，b。

這樣，在自校準電路中ADC采樣得到的電壓值通過k乘以V加上b，便可以得到ADC采樣通道校準后的電壓值，采用線性擬合方法測量相對誤差可以達到0.1%的要求。

2)非線性擬合方法

對于測量相對誤差要求高于0.1%要求時，采用線性擬合已經不能滿足要求，這時需要采用非線性擬合，也可以稱為分段線性擬合。

具體實現為通過在ADC采樣電壓范圍內選取多個采樣點，每兩個點之間采用線性擬合方案，求出兩點之間的線性校準因子ki和bi。

這樣，在自校準電路中ADC采樣電壓值通過判斷所在線性區間，調用該區間內的校準因子ki和bi便可得到校準后的電壓值，采用非線性擬合方法測量相對誤差可以優于0.02%。

3 實驗驗證

本文采取該自校準方案實現了50路模擬電阻輸出，在電阻輸出部分加入第3節所述自校準電路實現設備的自校準功能，具體操作如下:

1)首先，通過測量接口對內部ADC采樣電路進行校準，在校準電壓輸入口接入設定的系列電壓標準值，設備根據第3節所述內部ADC自校準方案進行校準得到ADC校準參數;

2)采用標準電阻表對內部標準電阻進行測量，將測量值記入指定位置;

3)標準電壓表通過外部接口測量內部基準電壓源的電壓值，將測量數值記入指定位置;

4)根據以上過程設定好的參數，就開始對各個通道的電阻進行校準，一般校準過程較長，校準期間不能停頓，否則需要重新進行通道校準;

5)對于出廠的設備需要對每個通道電阻進行校準，在使用過程中只需對超差的通道電阻進行校準即可，設備的檢定也只需對標準電壓、標準電阻進行檢定。

設備出廠時自校準前與自校準后數據對比見表1。

表1 數據對比

通過以上測試數據可以看出，通過內部自帶自校準系統可以大大簡化多通道的測試工作量，也可以大大節省多通道設備校準的時間，而且可以將測試結果控制在合理的范圍內。

4 結論

通過在多通道設備中加入自校準電路，利用軟件來修正硬件上的誤差，提升了設備的性能，提高了可靠性，增加了設備的可維護性，減少了人工參與，在自動測試設備和其他一些測量系統中已得到廣泛的應用。

[1]葉川，陳強，劉曉勇.基于多種儀器總線的多通道示波器校準系統[J].國外電子測量技術，2011，30(7):77－80.

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