基于矩阵开关的多通道数字示波器自动校准系统设计.pdf

基金项目：湖南省市场监督管理局科技计划项目（项目名称：多通道数字示波器自动校准技术研究，项目编号：）基于矩阵开关的多通道数字示波器自动校准系统设计谢清俊刘 佳袁 劲刘华硕肖鹏飞（株洲市计量测试检定所；中车株洲电力机车研究所有限公司）摘要：本文利用矩阵开关，基于 的自动测试技术，实现了数字示波器的全自动校准。通过在硬件设计中引入矩阵开关和信号补偿通道，实现示波器校准的通道自动切换和标准信号衰减修正。同时基于 开发多通道数字示波器自动校准软件平台，实现硬件自动识别和通讯、各校准项目自动执行、记录和报告自动生成等功能。该系统具有较高的效率、准确性，且扩展性良好，大大简便了多通道数字示波器的校准，同时为如频率计等同类型设备的自动校准提供参考。关键词：矩阵开关；数字示波器；自动校准；校准程序 ：，：；前言示波器是一种测量弱电信号波形、幅值、频率等的精密仪器，是科研、生产、检测中观察和诊断其它仪器信号必不可少的关键设备。常用的示波器分为模拟式和数字式，由于数字示波器具有参数齐全、测量精确等优势，已逐步取代了模拟示波器。示波器属于多功能精密电子产品，频繁使用、环境老化等会造成准确度降低，若未及时对其进行校准，使用中误差将逐级放大 。其型号多样、参数多，手动校准时，需对标准设备和被校仪器进行接线、参数设置并调试、记录和计算，且每个通道重复操作的参数较多，对校准工程师的能力、耐心、体力都是极大的考验 。因此，需探索一种接线简单、操作便捷、结果准确的自动校准装置及方法。计量与测试技术 年第 卷第 期 方案设计常用的数字示波器为通道和通道，参考 可知，每个通道有 项校准项目 。通过对计量过程的统计分析发现，手动校准时，在接线、参数设置、记录和计算阶段最容易出现错误和时间消耗。因此，本文设计了矩阵开关的多通道数字示波器自动校准系统。其中，硬件设计中引入了矩阵开关，实现了通道的自动切换，并通过信号补偿及时修正标准信号的衰减，确保结果的准确性；软件设计能实现有仪器的自动识别和通讯、校准程序自动执行、记录和报告的自动生成等功能。自动校准系统硬件设计自动校准系统硬件组成如图 所示。其中，软件平台分别与校准仪、矩阵开关和被校示波器连接，通过通讯接口，实现对校准仪、矩阵开关和被校仪器的控制和数据交互；校准仪单通道与矩阵开关连接，根据平台指令输出各类标准信号至矩阵开关；矩阵开关与被校示波器各通道连接，在平台的控制下，实现与被校仪器各通道的自动导通。?图 自动校准系统结构组成为避免高频信号时，增加矩阵开关、接触触头和连接线缆造成的标准信号的衰减，系统增加了信号修正通道，在被校端检测对比标准电平通过矩阵开关前后的大小，从而实现对矩阵开关通路中标准信号的补偿。自动校准系统硬件及接线图如图 所示。（）选用 作为示波器校准标准输出设备 ，其不仅能产生多种示波器校准所需的高精度直流电压信号、稳幅正弦波、时标信号、脉冲信号等标准信号，而且可通过配备 示波器校准选件，满足 及以下带宽示波器的校准需求。（）选用 型 对 矩阵开关，其带有 接头，最大信号频率 ，最大插入损耗小于 ，满足频率要求。（）采用 种不同的控制连接方式。示波器、矩阵开关与软件平台分别采用网络接口、的连接方式 。同时，为尽量避免高频信号校准时信号传输造成的干扰，所有测试线缆选用同轴射频线缆。图 自动校准系统硬件及接线图 自动校准系统软件平台设计 开发工具自动校准系统软件平台利用 平台，基于“数据流”图形化编程语言、丰富的仪器驱动程序和模块化的函数，使编程快速高效 。结构模型软件平台如图 所示，主要包括交互界面、通讯控制、项目校准、数据存储及分析、报告生成等模块。其中主程序作为整个系统的中心，通过问询、循环、中断等机制实现硬件通讯及控制、数据输入输出、校准子程序运行等功能。项目校准子程序是自动校准的关键，它涉及标准信号的输出、被校设备参数的设置、数据的输出和初步判断等。?图 自动校准软件结构谢清俊等：基于矩阵开关的多通道数字示波器自动校准系统设计交互界面如图 所示，用于显示仪器状态、录入并查看被检仪器信息、手动 自动校准控制、显示实时校准结果等。交互界面中的手动控制的各类控件与后台程序一一对应。图 系统界面为实现对标准器、矩阵开关和被检示波器的通讯控制，系统采用 ，作为 联盟制订的新一代仪器 软件接口，可提供仪器通讯 函数库和控制函数，且操作函数能实现对 、串口、或 等接口自动识别和连接。系统通过调用计算函数，自动完成平均值、标准编差、不确定度等的数据处理。如数据模板表格中加入 函数，将校准结果与最大允差进行比较，可判定校准结果的异常值。加入 函数并结合录入的仪器指标信息，可计算校准结果的不确定度，如图 所示。图 校准结果数据页系统通过调用 的报表程序等，实现报告的自动生成和输出。首先编制 证书模板，然后在 中编制报表模板，将其地址映射至证书模板，最后调用存储的测试及计算数据填入报表并写入地址，即可自动生成校准证书。自动校准程序的执行自动校准程序流程如图 所示。?图 自动校准程序流程图（）程序初始化时，完成交互界面模块和通讯模块的运行，在读入校准基本信息和信号衰减补偿值后，判断并导通矩阵开关与被校示波器对应通道。（）通过调用项目校准子程序，自动校准程序依次发出被校示波器参数设置指令、校准仪标准信号指令、数据读取存储指令等，并完成该通道所有设定项目的自动校准。被检参数设置时，系统会自动扫描并调用系统校准参数数据库，若校准参数数据库没有同型号设备参数信息，则系统会弹出参数设置窗口要求，需手动输入才能进行下一步程序执行。（）所有通道的所有校准项目完成后，系统完成校准参数数据库更新、校准数据处理并输出记录和校准报告，如图 所示。系统是通过事件驱动、中断及保护、循环、数据判断处理等机制，确保自动校准程序正确执行。其中，事件驱动是指程序指令围绕事件驱动进行，有相关事件发生时（如点击按钮），主程序根据预先设置的优先级别，调用对应的处理程序执行相应的操作，主要用于手动及特殊校准项目的处理。程序执行过 计量与测试技术 年第 卷第 期程中任何的通讯意外、资源冲突、输入信号超限等，都需判断并可能触发中断及保护 ，具体办法：在相应的子程序中加入判断指令，当确定中断及保护事件发生时，触发并调用 函数完成中断，实时弹出中断原因，提醒操作人员处理故障。循环机制主要用于仪器间自动连接的端口驱动和通讯状态的实时监控、通道的自动切换、参数扫描、校准项目的自动执行及数据处理的执行等，主要通过 函数执行。利用数据判断处理机制，完成程序执行过程中的测量数据采集和计算。如数据采集、存储和计算时，依据不同的校准项目，在数据存储模板和计量过程中约定数据类型、有效位数及修约规则，数据写入对应的模板即自动实现。结束语经实际验证，本文设计的自动校准系统与人工相比，单台设备的平均校准时间由 缩短至 ，校准效率大大提高，且数据记录、相关计算结果均比人工精确，且通过人工对系统异常值判断函数发现的 项异常值进行重复校准验证，系统的准确率为 。同时该系统具有良好的扩展性，可配备多个矩阵开关系统同时校准多台设备。当校准新的示波器时，完成首次参数设定后，系统在后续校准同类型设备时能自动识别；当需要进行特殊参数校准时，在系统中增加相应的子程序即可。该校准系统的开发，大大简便了示波器的校准，同时为开发（如频率计等）同类型设备的自动校准提供了参考。参考文献 郭同华，刘永 数字示波器通道增益自动校准系统设计 电子质量，（）：周开喜 数字示波器自动校准系统的研制 计量与测试技术，（）：数字存储示波器校准规范 骆芳萍，刘坚强，李岩 一种多参数示波器自动检定装置设计 计量与测试技术，（）：卢燕涛，刘明亮，郁月华，等 基于 接口的模拟示波器自动校准系统设计与实现 电子测量技术，（）：马春雷 基于 的示波器校准仪自动化检定系统的设计与实现 宇航计测技术，（）：刘文刚，常志方，韩保，等 基于 的数字示波器自动校准系统研究 通讯设计与应用，（）：（上接第 页）由表 可知，两种探头均可实现对不同转速的测量，与不同转子、不同探头的实验数据对比，无较大差异，校准过程中均可达到较高的校准精度。总结本文设计的离心机转速校准装置具备基于光学原理红外检测探头和基于振动原理的振频检测探头，可应用于有观察窗和无观察窗的离心机的转速校准，解决了无观察窗密闭式离心机无法安全、准确地对转速进行校准的难题。该系统具备自动数据处理功能，可实现智能化数据处理，避免了人工读数和计算的误差。实验证明：两种探头均可达到较高精度，可实现对离心机转速的可靠校准。参考文献 梁希文 医用离心机转速校准方法的探讨 计量与测试技术，（）：许全 医用离心机校准过程中相关问题初探 计量与测试技术，（）：董晓磊 离心机脱水效果影响因素研究 煤炭工程，（）：王慧娟，冯黎，罗涵 医用离心机校准方法和测量不确定度评定 计量与测试技术，（）：（冀）医用离心机校准规范 （蒙）实验室用离心机校准规范 医用离心机校准规范 于扬扬，雷鹏 基于红外技术的离心机转速检测装置的设计 现代工业经济和信息化，（）：严杰文，魏纯，古耀达，等 电主轴偏摆测试仪校准装置的研制 工业计量，（）：胡鉴源，郑文，李涉 基于 的转子不平衡测量系统设计 机电工程技术，（）：程宏，李朴，刘颖，等 医用离心机校准的理论和实践 中国测试，（）：闫好奎，任建国 一种离心机校准方法的讨论 计量与测试技术，（）：熊晨阳，赵瑞领，隋首钢 一种医用离心机转速检测系统的设计与研制 中国医疗设备，（）：谢清俊等：基于矩阵开关的多通道数字示波器自动校准系统设计