基于LXI 的示波器校準儀自動校準系統(tǒng)研究

秦 越，徐 濤，單 偉，韓劍波

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610041）

隨著電子測量行業(yè)的快速發(fā)展，示波器校準儀的功能越來越多，性能指標也越來越高，現(xiàn)在的示波器校準儀具有頻率范圍大、量程寬、精度高、平坦度好、信號類型多等特點[1]。但是由于長期的使用、不規(guī)范的操作、環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致儀器發(fā)生偏差，信號精度下降、性能穩(wěn)定性降低等[2-3]。示波器校準儀作為示波器的測量標準，其測量的準確性、性能的穩(wěn)定性就顯得尤其重要[4-6]，需要定期對示波器校準儀進行校準。然而示波器校準儀信號類型多、數(shù)據(jù)量大、操作復(fù)雜等因素增加了示波器校準儀校準難度，因此，本文在此基礎(chǔ)上建立了示波器校準儀自動校準系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

本文基于LAN 接口設(shè)計了高精度示波器校準儀自動校準系統(tǒng)，以總線作為橋梁，結(jié)合軟件的設(shè)計，將一系列可遠程控制的儀器與計算機構(gòu)建成一個大型的自動測試[7-8]、自動校準系統(tǒng)。

1.1 自動校準系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

示波器校準儀的自動校準系統(tǒng)由示波器校準儀、標準儀器和計算機三大部分組成，自動校準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。示波器校準儀需要校準的項目眾多[9]，本文研究的自動校準系統(tǒng)校準項目包括：穩(wěn)幅正弦波、直流、方波、快沿、負載電阻、負載電容及線性三角波。

圖1 自動校準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of automatic calibration system

根據(jù)穩(wěn)幅正弦波頻率范圍、幅度范圍、平坦度要求，本文選用了N1913A 型號的功率計和E9304A型號的功率計傳感器作為穩(wěn)幅正弦波幅度參數(shù)的標準儀器，功率計的測量范圍和測量精度取決于功率計傳感器。通過分析穩(wěn)幅正弦波幅度的平坦度要求可知，選用的功率計傳感器完全滿足要求。同樣依據(jù)穩(wěn)幅正弦波頻率準確度、頻率范圍，選擇53230A型號的頻率計校準穩(wěn)幅正弦波頻率參數(shù)。其它校準信號標準儀器選擇方法類似，本文不再詳細闡述，直流信號和方波信號的幅度參數(shù)，選擇3458A 型號的數(shù)字萬用表作為標準儀器；快沿信號的幅度參數(shù)選擇L4532A 型號的數(shù)字化儀作為標準儀器；線性三角波的幅度參數(shù)和線性度，選用數(shù)字存儲示波器DSA70404B 和數(shù)字萬用表3458A 作為線性三角波的標準儀器。

1.2 自動校準系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文使用Qt 作為軟件開發(fā)工具，方便以后軟件的移植、功能擴展以及優(yōu)化，數(shù)據(jù)庫模塊載體設(shè)計使用由微軟發(fā)布的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Access。

本文自動校準系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括4 個部分，如圖2 所示，分別為儀器控制模塊、自動測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)建模。首先實現(xiàn)示波器校準儀和標準儀器的程控，完成自動測試系統(tǒng)的組建；然后通過自動測試系統(tǒng)測量校準的信號參數(shù)的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，分析測量數(shù)據(jù)，判斷是否超出誤差范圍，若超出誤差范圍，則使用測量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合校準方法生成校準系數(shù)保存至數(shù)據(jù)庫，調(diào)用校準系數(shù)下發(fā)至示波器校準儀完成校準；最后再通過自動測試系統(tǒng)驗證校準后的示波器校準儀，生成校準證書。

圖2 自動校準系統(tǒng)軟件組成Fig.2 Software composition of automatic calibration system

2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)校準信號所用的校準方法和數(shù)據(jù)建模類似，下文將詳細闡述直流和方波信號校準方法。

2.1 校準方法

為了直流和方波信號校準更加精確，本文在直流和方波模塊中設(shè)計了直流和方波信號的反饋電路[10]。輸出信號通過ADC 把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號經(jīng)過增益（放大和衰減），然后通過FPGA 控制將反饋回來的數(shù)字信號存入ARM，保存到Flash中，最后通過軟件讀取ARM 中的反饋數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫處理。首先通過設(shè)計的自循環(huán)補償修正方法進行初校準，直流信號自循環(huán)補償步驟如下：

（1）測量直流電壓實際反饋值，計算出絕對誤差和相對誤差，存入數(shù)據(jù)表；

（2）判斷誤差是否在范圍內(nèi)，若不滿足，則使用式（1）計算出輸入電壓值，若滿足，則輸入電壓值不變；

（3）發(fā)送計算出的輸入電壓值通過自循環(huán)測量出直流電壓實際反饋值，重復(fù)步驟（1）和（2），直至達到誤差設(shè)置范圍。

由于反饋信號經(jīng)過多級電路后會造成信號的衰弱，因此，自循環(huán)校準并不能滿足校準要求，還需結(jié)合信號測量參數(shù)數(shù)據(jù)建模技術(shù)生成校準系數(shù)實現(xiàn)直流和方波信號校準。

2.2 數(shù)據(jù)建模

直流和方波信號在參數(shù)測量過程中，經(jīng)過多次測試試驗，方波幅度和直流電壓測量值在范圍內(nèi)多次出現(xiàn)拐點，拐點的出現(xiàn)影響數(shù)據(jù)建模和校準精度，因此，結(jié)合硬件設(shè)計，本文在直流和方波信號的數(shù)據(jù)處理中采用了分段的思想。下文以直流信號電壓值分段處理為例說明（方波信號類似），輸出電壓范圍劃分為3 段，第一段為40 μV～150 mV，第二段為150 mV～10 V，第三段為10 V～200 V。根據(jù)反饋電路信號和校準要求，控制電壓輸出范圍，將信號進行分段，直流信號分段范圍見表1。

表1 直流信號電壓分段范圍Tab.1 Segment range of DC signal voltage

自動測試系統(tǒng)測量直流和方波信號參數(shù)數(shù)據(jù)時，設(shè)置步進太大，參數(shù)數(shù)據(jù)準確性降低，直接影響校準精度；設(shè)置步進太小，測量數(shù)據(jù)較多，工作量大，數(shù)據(jù)建模時間較長，影響校準效率，因此，選取合適的步進是數(shù)據(jù)建模的關(guān)鍵。下文以采集直流信號參數(shù)為例，當阻抗為50 Ω 時，設(shè)置直流電壓范圍±1 mV～±5 V，設(shè)置步進為0.001 V；當阻抗為1 MΩ時，設(shè)置直流電壓范圍±1 mV～±200 V，設(shè)置步進為0.01 V。使用自動測試系統(tǒng)多次測量，保存至數(shù)據(jù)表，去除畸變點，并計算出測量點的平均值。

通過回歸分析對校準參數(shù)進行相關(guān)性分析，去除無關(guān)量，可以確定被校準信號對應(yīng)的影響因子。以直流信號電壓參數(shù)為例，通過分析可知影響電壓參數(shù)的因素有輸入電壓、反饋電壓，因此，設(shè)實際電壓參數(shù)測量值和反饋電壓值作為輸入變量，輸入電壓值作為輸出變量。本文采用數(shù)據(jù)分段建模方法處理測量數(shù)據(jù)，根據(jù)已建立好的MLP 模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中已預(yù)處理的測量數(shù)據(jù)，訓練網(wǎng)絡(luò)模型，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)達到最佳性能。直流信號數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3 所示，經(jīng)過自動測試系統(tǒng)驗證該數(shù)據(jù)處理方法生成的校準系數(shù)，滿足校準指標。

圖3 直流信號數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.3 DC signal data processing results

3 結(jié)語

本文從儀器控制、自動測試系統(tǒng)、校準方法和數(shù)據(jù)建模4 個方面論述了示波器校準儀自動校準系統(tǒng)的設(shè)計過程，針對直流和方波信號提出了自循環(huán)補償修正和數(shù)據(jù)分段建模技術(shù)相結(jié)合的校準方法。該系統(tǒng)減少了人為誤差，提高了校準準確度和校準效率，同時使校準更加簡便化。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測試項目中。