基于GJB7691-2012的通用數字示波器自動檢定關鍵技術的研究*

江思杰 馬 耿 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

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基于GJB7691-2012的通用數字示波器自動檢定關鍵技術的研究*

江思杰 馬 耿 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

作為一款時域電子測試儀器,示波器在科研、電力、醫療等多個方面得到了廣泛的應用,隨著計算機技術的不斷進步,性能強大的數字示波器應運而生,同時,自動控制技術的普及使得數字示波器自動校準檢定成為可能。論文以最新的數字示波器檢定規程GJB7691-2012為基礎,針對新規程在檢定與計算方法上的調整進行了分析,結合虛擬儀器與數據庫技術完成了一種基于FLUKE9500B的通用數字示波器自動檢定系統的設計,并就其關鍵技術進行了研究,同時通過試驗結果比較驗證了該方案的可靠性與可行性,并在計量工作中得到應用。

數字示波器檢定系統; GJB7691-2012; 虛擬儀器; 數據庫; FLUKE9500B

Class Number TP206

1 引言

隨著科學技術的快速發展,示波器早已成為電力、醫療、航天等領域技術工作者不可缺少的重要工具。由于長時間的使用或外部環境的影響,示波器內部的元器件會發生漂移、老化、甚至損壞等情況,因此,定期對其進行校準檢定是保證其正常工作的必要手段。以往示波器檢定由于檢定項目多、參數量大等原因,需由專人負責其檢定從而緩解高強度的工作壓力。新數字示波器檢定規程的到來加劇了當前的示波器檢定現狀,使得示波器自動檢定迫在眉睫,其主要改動包括:

1) 頻帶寬度的測量方法稍微有些變化,使其更容易實現編程;

2) 大部分項目都要求分別在50Ω和1MΩ阻抗下分別對每個靈敏度檔都檢定,滿足了實際使用中每個檔的正常使用,但同時也大大增加了檢定人員的工作量;

3) 以更貼切實際應用需求為目的,將直流偏置、探極衰減比、輸入電阻、觸發靈敏度等檢定項目放在了周期檢定必檢項目中,使得檢定項目更合理,但同時測量項目的增加意味著測量所需要時間的增加;

4) 時基測量采用了全新的測量方法,利用自動測試可以使其測量結果更準確。

隨著現代化步伐的不斷推進,數字示波器的自動校準檢定系統也層出不窮,其中FLUKE開發的應用軟件平臺MET/CAL的應用最為廣泛,然而,現階段的數字示波器自動檢測系統仍然存在被檢數字示波器型號單一、檢定項目種類不全、擴展能力較低等問題。

本文依據GJB7691-2012,針對現階段的數字示波器檢定所存在的問題,提出了一種智能化、自動化的通用數字示波器自動檢定系統,并從系統硬件構成、檢定流程、軟件設計、關鍵技術研究等方面對其進行了詳細的闡述,最后通過現場試驗結果對比驗證了該系統的可靠性與可行性。

2 系統硬件構成

系統主要硬件包括工控機、FLUKE9500B、數據連接線(LPT、RS-232、GPIB、LAN皆可)與打印機,如圖1所示。工控機作為控制核心與管理中樞,通過數據連接線控制FLUKE9500B輸出檢定波形,并通過被檢數字示波器讀取并顯示每個項目的測量參數。當整個檢定流程完畢之后,利用Matlab對測量參數進行計算并判定是否合格,并輸出電子版原始數據,最終形成完整的檢定報告。

圖1 通用示波器自動檢定系統結構框圖

根據現階段的數字示波器檢定所存在的問題,系統結合數據庫技術與檢定經驗進行了如下改善:

1) 數據庫儀器智能檢索。系統將以往檢過的數字示波器型號錄入到MySQL數據庫中,當接入送檢數字示波器時,系統會自動查詢該設備的型號并通過數據庫檢索對應的編程指令,同時,預生成檢定報告封面,實現全自動數字示波器檢定。

2) 全項目自定義檢定。系統參照GJB7691-2012,將數字示波器檢定模式分為首次檢定、周期檢定、修后檢定與自定義檢定,前三種模式的檢定項目為固定模式,自定義檢定模式便于某些送檢單位根據自身科研需要指定某些可不檢項目進行檢定。

3) 可編程模塊。系統將不同廠家多種型號的數字示波器編程指令集成到MySQL數據庫中,旨在實現可編程化的自動檢定模式。如圖2所示,檢定人員可根據自身需求在軟件界面中添加或修改某型號所對應的編程指令,并在檢定操作開始之前對修改后的指令進行調試,確保指令正常運行,如遇到突然停電或未保存所導致的指令丟失可通過復位選項來恢復該型號的默認操作指令。

3 系統運行流程

系統運行流程如圖2所示。檢定開始前,系統會進行初始化,在完成被檢數字示波器端口搜索的同時預設置證書報告的相關格式,當端口確認完畢后系統會調用MySQL數據庫命令自動檢索對應的儀器數據庫與輔助參數,之后,系統會根據檢定人員選所選定的檢定模式與檢定項目自動實現數字示波器檢定流程并調用Matlab實現算法處理,每當一個項目檢定完成之后系統會提示操作人員并以該項目名稱與檢定日期為文件名自動保存檢定信息到Excel中。當被檢數字示波器檢定完成之后,系統將嚴格按照計量準則自動生成電子檔原始記錄,如果該設備需要做校準,則系統會再次調用Matlab對不確定度進行計算。最后,系統會自動整合所測的檢定參數生成檢定報告電子文檔,并由打印機自動輸出紙質檢定報告。

4 系統關鍵技術的研究

本系統采用虛擬儀器技術,將LabVIEW2011作為開發平臺,利用VISA2011驅動函數實現FLUKE9500B校準器與數字示波器的自動檢定控制流程,并結合MySQL數據庫實現數字示波器的智能檢索、檢定信息存儲與報告格式預處理,最后調用Matlab進行數據計算與不確定的算法處理。此外,本系統還提供可編程模塊,便于檢定人員根據需要對檢定項目進行調整。

圖2 系統運行流程圖

4.1 數字示波器接口、型號與指令的智能檢索

由于不同廠商甚至同一廠商不同型號的數字示波器在接口與編程指令上會有很大的區別,實現全系列數字示波器自動檢定是非常必要的。本系統利用MySQL數據庫,同時查閱不同型號數字示波器的編程指令,根據GJB7691-2012檢定規程進行調試,并將調試完成的檢定流程指令錄入到數據庫中。整個數據庫包含四大廠商,分別為:Tektronix、Agilent、Rohde-Schwarz與FLUKE,其子數據庫又以系列的形式分布,例如TDS、DPO、MSO等,之后,根據不同的型號建立數據表格并將調試成功的檢定流程指令逐條錄入。

當數字示波器接入時,系統會探知該接口并發送查詢命令,在獲取產品信息后,系統會根據廠家、系列與型號智能檢索并調用該數字示波器的編程指令,同時,結合送檢單位、檢定日期、檢定人等信息預生成檢定證書封面,實現全系列的數字示波器自動檢定與檢定報告智能輸出。

4.2 數字示波器過沖檢定設計

數字示波器瞬態響應包含兩個參數,上升時間與過沖。然而,在進行過沖項目檢定時會存在如下兩個問題:

1) 許多低端數字示波器例如Tektronix TDS2000系列以下,沒有測量過沖值的功能;

2) 一部分數字示波器例如Tektronix DPO4000系列,其內部的過沖計算函數存在一定誤差,導致過沖值測量極為不準。

針對上述問題,本系統嚴格按照GJB7691-2012檢定規程中實時采樣下的過沖檢定方法,通過編程指令獲取上升沿脈沖幅度值A與脈沖上升后的第一個峰峰值V,并由V-A計算出峰值與頂量值的差值b,之后根據式(1)計算出Sb過沖值。

(1)

4.3 數字示波器上升時間檢定設計

在實際檢定中,某些型號的示波器,如Tektronix4000系列,其自動測量功能中的上升時間測量存在較大的誤差,無法滿足自動測試的精度要求。

本系統為了規避數字示波器自動測量所帶來的誤差,使用采集取點法解決該問題。具體方法是:通過數字示波器指令直接獲取波形數據Y、dt、t0,根據上升時間的定義,分別提取脈沖幅度在10%、90%左右的多個時間點并計算平均值,從而得到t10%與t90%,兩者的差值即為脈沖從脈沖幅度的10%～90%所占用的時間—上升時間tr,上升時間檢定波形如圖3所示。

4.4 數字示波器時基檢定設計

在GJB7691-2012中對時基的檢定采用了全新的三種方法:延遲法、混疊法和測量時鐘輸出法。其中延遲和測量時鐘輸出只適用于帶有延遲功能和帶有時基時鐘輸出的示波器。只有混疊法適用所有示波器,所以本系統采用混疊法。

圖3 上升時間檢定波形

對于此方法最大的難點是判斷頻幕上出現約五個周期的混疊正弦波形。本系統利用Matlab強大數學計算功能,實現全自動數字示波器時基鑒定,具體方法如下:

根據混疊機理,可得出分析信號混疊頻率計算公式。

fA=|f-nSF|

(2)

其中:n=Int(f/SF+0.5)。fA為混疊頻率,SF為采樣頻率,f為輸入頻率。

根據GJB7691-2012規定,數字示波器輸入信號的時鐘頻率為10MHz,且需調整時基靈敏度檔使得屏幕上顯示約五個混疊波形。根據時基靈敏度SN與fA的公式:

(3)

由于每臺示波器的最大采樣率SFmax和最小時基靈敏度檔SNmin都是已知的,可通過式(4)

(4)

算出等效線性關系,將其代入到式(3)中得到采樣頻率SF與混疊頻率fA的關系式:

(5)

之后,將式(5)代入式(2)即可求出采樣頻率SF:

(6)

之后,利用示波器編程指令將時基靈敏度檔位設置到SF可以使得被檢示波器屏幕上出現約五個周期的混疊正弦波形。

最后,依據GJB7691-2012規程所述,選取頻率測量功能對頻幕上出現輸入信號和取樣的差拍波形頻率進行讀數。讀取并記錄此時頻率值Δf,按式(7)計算時基的相對誤差:

(7)

5 驗證比較

系統的操作界面與可編程模塊如圖4所示,在系統搭建完畢之后,在實驗室中進行了調試驗證,參與驗證的示波器包括:Tektronix TDS2024、Tektronix TDS3052、Tektronix DPO4054、Tektronix MSO4054、Agilent DSO7104A、LeCroy 204MXi-A。分別通過LTP、GPIB數據線將被檢數字示波器、FLUKE 9500B連接到工控機上,對每個示波器進行一次完整的檢定。

圖4 數字示波器自動檢定系統操作界面(上)與可編程模塊(下)

本次驗證測試靈敏度檔位范圍為5mV/div～200mV/div,對單通道CH1的頻帶寬度、上升時間、直流增益、過沖幾個主要指標進行測試比對,取20mV/div、50mV/div、100mV/div三個重要靈敏度檔的數據作為測試結果進行比對,測量結果如表1所示。

通過表1的驗證結果可知,由于頻段寬度與直流增益測試均是通過數字示波器自動測量指令完成,因此本系統與人工測量結果差距不大,但在上升時間與過沖檢定方面,本系統測試結果優于人工測量,驗證了本系統在關鍵技術上的突破,且在總測試時間上比人工測量降低了一倍之多,極大地提高了數字示波器檢定效率。

6 結語

本文通過分析GJB7691-2012在老規程基礎上的改動,研制出了一種基于新規程的通用數字示波器檢定系統,同時,就數字示波器自動檢定過程中的關鍵技術進行了研究,在減少人工操作的基礎上提高了數字示波器測試精度。本數字示波器自動檢定系統經過長時間的使用證明了其具有數據可靠、操作方便、功能齊全等優點,極大地提高了我國防科工4213計量站的工作效率,為后續的規范化建設打下了堅實的基礎。

表1 驗證測試結果比對

[1] 梁志國,等.GJB7691-2012數字示波器檢定規程[M].北京:中國計量出版社,2012.

[2] 趙汝和,袁太文,李訊波.數字示波器自動檢定系統[J].測控技術與儀器儀表,2007,32(2):77-80.

[3] 李憲優,王玲,等.數字示波器自動檢定方法與實現[J].裝備指揮技術學院學報,2010,24(2):66-72.

[4] 梁犇,李訓誥,林江.基于MATLAB與LabVIEW的信號處理分析與研究[J].實驗科學與技術,2010,8(6):39-41,170.

[5] 周厚平,石堅.虛擬儀器不確定度問題探討[J].計算機與數字工程,2010,38(9):73-76.

[6] 秦凡,韋高.基于VISA庫及SCPI命令的儀器程控測量[J].現代電子技術,2011,34(11):118-120,123.

[7] 葉培德,等.JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[S].國家質量監督檢驗檢疫總局,2012(12).

[8] 王怡蘋,許愛強,汪定國.自動測試系統中測試數據管理[J].電子測量技術,2010,33(3):137-140.

[9] 陸福敏,詹志強.數字示波器掃描時間檢定方法的探討[J].電子測量與儀器學報,2004,增刊:527-530.

[10] 郭偉民,鄧曉莉,李莉,等.數字示波器檢定方法研究[J].信息與電子工程,2004,2(1):65-69.

[11] Howard B. Wilson, Louis H. Turcotte, David Halpern. Advanced Mathematics and Mechanics Applications Using MATLAB. Chapam & Hall/CRC,2003.

Critical Technology Research of General Automatic Digital Oscilloscope Verification Based on the GJB7691-2012

JIANG Sijie MA Geng JIANG Chuanhua

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

As a time-domain electronic test equipment, oscilloscopes has been widely used in scientific research, electricity, medical treatment and so on. Along with the advance of computer technology, powerful digital oscilloscope arises at the historic moment, at the same time, the popularity of automatic control technology makes it possible to digital oscilloscope automatic calibration verification. Based on the latest digital oscilloscope verification regulation GJB7691-2012 as the foundation, the new discipline in verification and calculation methods of adjustment are analyzed, and also virtual instrument and database technology are combined to complete a general digital oscilloscope automatic verification system based on FLUKE9500B design, moreover its key technologies are studied, and the reliability and feasibility of the scheme are verified through the test results, and last applied in the measurement work.

digital oscilloscope automatic verification system, GJB7691-2012, virtual instrument, database, FLUKE9500B

2014年9月11日,

2014年10月27日

江思杰,男,碩士,工程師,研究方向:儀器與測試技術、數據算法處理、機械自動化控制、低頻通信技術、計量科研等。馬耿,男,工程師,研究方向:儀器與測試技術、計量科研等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術、天線理論技術、儀器與測試技術、數據算法處理、計量科研等。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.017