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基于多种仪器总线的多通道示波器校准系统

基于多种仪器总线的多通道示波器校准系统

1引言

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。利用示波器可以观察各种不同电信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测量各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差等。示波器的广泛使用也使得仪器校准单位(计量室或计量单位)对示波器自动化校准系统提出了迫切的需求。
目前绝大多数仪器校准单位对示波器的校准采用的仍旧是传统手动校准方案,由于校准项目繁多、数据量大、人工干预较多等原因引入了较大的人为误差。
本文介绍了以模块化仪器PXI为平台,图形化开发环境LabVIEW为核心的自定义的通用示波器校准系统。软件设计上采用虚拟仪器软件架构(VISA),基于这种软件架构编写的程序能够良好地支持各种仪器总线,如GPIB、VXI、PXI、串口、TCP/IP、USB、IEEE 1394。

系统结构与功能

本系统按照国家计量检定JJG262《模拟示波器检定规程》以及被校准示波器的产品手册来编写的校准流程,采用主流的校准方法。系统由工控机、 PXI模块化仪器平台、打印机、待校准仪器以及标准仪器5个部分组成,见图1。工控机通过USB-GPIB总线实现对待校准仪器和标准仪器的控制,同时采用MXI技术实现在工控机上运行LabVIEW程序对开关模块进行控制。为了实现多通道和多台示波器的自动化校准,系统选用PXI开关板卡PXI-2594对示波器通道进行切换。PXI-2594支持示波器的4个通道同时校准。可以是同一台示波器的4个通道,也可以是不同示波器的不同通道。除此之外,该系统还实现了对测试数据报表的打印。待校准仪器和标准仪器的信号通过PXI开关模块进行互联,利用程序控制PXI开关卡对信号通道进行自动切换从而实现校准功能的全自动化。

 

目前支持的示波器总线接口有GPIB、TCP/IP 、USB、RS232。

图1 系统结构图

系统硬件设计

本系统中示波器的校准采用的标准设备为5820A。在多台示波器校准时,将标准设备的信号连接到PXI-2594的公共端,将待校准设备连接到PXI-2594的CH0至CH3,通过PXI-2594开关的切换可以将标准设备的信号连接至指定的待检定设备,从而实现多台示波器的自动校准功能,最多可同时检定4台示波器。多台示波器的校准结构图如图2所示。由于系统中的各个通道是独立的,所以每个通道的校准项目、校准参数可以是不同的。

 

图2 系统连接示意图  

系统软件设计


图3 软件结构图


图3为软件结构图。主控终端的核心部分是管理层,管理层分为两个主要模块,资源管理模块和实时操作模块。其中资源管理管理是程序运行的必要条件。
在资源管理模块中可以对系统进行配置,主要包括被校准仪器配置、校准仪器配置、校准项配置,只有这些信息完备后方可运行程序。实时操作包含三个重要模块:校准结果处理模块、消息处理模块以及校准结果保存模块。校准结果处理模块用于按照用户需求进行数据处理。消息处理模块负责处理系统错误、用户提示、运行状态提示等。通信层提供主控终端和仪器之间的数据通信接口,包含通信数据引擎。驱动层包含设备初始化、设备通讯、数据读取和处理几个基本模块。
主程序的执行流程如图4所示,程序根据校准示波器的型号自动匹配出校准项目,不同的示波器型号校准方法不尽相同。例如TDS3000系列有直流偏置校准而TDS2000系列则无此项。然后分别校准各个示波器所选通道的校准点,最后将校准结果的原始数据以及生成的报表进行保存。


图4 软件操作流程

系统的实现与测试 

该系统软件具有新颖的启动界面以及丰富多样的功能界面。
整个软件由启动界面、主界面以及参数配置界面三大部分组成,整个软件系统体现了软件设计高内聚、低耦合的设计思想。图5为系统主界面,用于显示校准数据以及结果,同时将数据以曲线的形式进行描绘。

 


图5 校准软件主界面

实验数据分析 

  1. 自动校准数据分析

将PXI-2594开关加入系统,用它来切换单台示波器的各个通道。将示波器通道分别连接到开关的相应通道上。TDS3032B示波器通道1带宽校准和垂直偏转校准数据分别见表1、表2。
表1


带宽

测量值

指标

10MHz

0.32div

0.35div

100MHz

0.32div

1.0div

表2


标称值

测量
误差

允许
误差

1mV

0.01

0.02

2mV

0

0.02

5mV

0.005

0.02

10mV

0

0.02

20mV

0

0.02

可以看出自动校准的数据全部在被校准示波器误差允许范围内,由此可判断被校准示波器合格。

  1. 与手动校准的数据进行对比将自动校准数据(带有开关)和手动校准数据进行对比,数据见表3,校准项目为LT372的直流增益。
    表3

标称值

自动

手动

6.012mV

5.85mV

6.014mV

-5.982mV

-6.202mV

-6.063mV

15.014mV

14.828mV

15.013mV

-14.98mV

-15.326mV

-15.156mV

30.14mV

29.98mV

30.15mV

-29.98mV

-30.17mV

-30.22mV

 

对比数据,得出结论自动校准的数据都在该示波器误差允许范围内。
通过以上两项数据对比可以看出,示波器自动校准的数据与手动校准数据接近,开关带来的插损相对于技术指标来说非常小,在校准数据中可以忽略。

 

结语

该系统采用了主流的PXI模块化仪器平台,以及图形化编程语言LabVIEW作为开发环境,大大提升了系统的可扩展性以及灵活性,可以方便地在系统中增加新的传统仪器与模块化仪器。
由于自动化校准减少了人为操作,从而在有效地提高了工作效率的同时也减少了人为误差的引入。
该系统支持多种仪器总线以及多个通道的示波器校准。经对运行情况的考察、分析,发现系统运行稳定可靠,技术指标达到预期目标,能满足示波器校准要求。系统可以在计量部门或实验室进行使用。


参考文献

  1. 阮奇桢. 我和LabVIEW [M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
  2. JJG  262-1996 模拟示波器. 中国计量科学研究院.
  3. JJF 1057-1998 数字存储示波器校准规范. 中国航空工业总公司第三零四研究所.
  4. 雷振山. LabVIEW Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社,2005.
  5. 5820A Oscilloscope Calibrator Operators Manual. 美国福禄克公司.April 1999 Rev.3, 11/06.
  6. TDS3000 & TDS3000B Series Digital Phosphor Oscilloscopes.泰克科技公司.
  7. 数字存储示波器通用技术条件和测试方法.国家技术监督局.1994.
  8. LECROY X-STREAM OSCILLOSCOPES REMOTE CONTROL MANUAL. 美国力科公司.2005.  
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