自校准技术在多通道测试设备中的应用

陈阿琴，门伯龙，刘民

(北京东方计量测试研究所，北京 100086)

0 引言

随着自动测试技术的发展，各种多通道的测试设备层出不穷，测试设备已不再局限于单一的输入输出。然而从电学各个参量的标准来看，多以单一输入输出为主，这给多通道设备的校准带来了一定的不便。传统的方法是采用手动校准方案，该方案校准项目繁多、数据量大、人工干预较多、引入误差较大;也有人提出了基于开关模块的方案，通过外接开关模块的切换采用分时复用的方法来对多通道设备进行校准。基于开关模块的方案减少了人工干预，实现了自动校准，但开关模块的引入给整个校准系统带来了一定影响，而且该方案对开关模块和多通道设备接口的配合度要求较高，同时也增加了校准成本;再则开关模块的通道数往往有限，当通道数在几百甚至上千路的时候，要找到合适的开关模块难度将增加。如何能更好地对每台多通道测试设备进行校准成为本论文研究的重点。既然校准成为每台仪器必不可少的测试项目，那么我们在设计仪器的时候何不将自校准功能在该台仪器中实现了[1]。本文以50路模拟电阻设备为例说明自校准技术在多通道设备中的应用。

1 系统总体设计

对于多通道模拟电阻设备，由于数字电阻的温度漂移较大，在长期使用中不进行定期校准必然会带来一定的误差，使用通用设备进行校准十分麻烦，因此在设备中内置校准功能，将使设备的准确度得到保证。

系统设计主要模块包括模拟电阻输出部分、基准源部分、开关电路部分、AD采样部分、主控部分和输入输出接口部分，见图1。其中:

1)模拟电阻输出部分用来输出模拟电阻;

2)基准源部分为自校准电路提供高精度电压源;

3)开关电路部分为自校准电路提供多路切换校准测量;

4)AD采样部分为自校准电路测量结果进行模数转换便于传输;

5)主控部分协调各部分电路工作;

6)输入输出接口部分提供校准内部基准源接口和外接外部基准源接口。

图1 系统总体设计结构框图

2 自校准设计

自校准单元主要包括参考电压源、精密电阻、模拟开关、正向跟随器、高精度模数转换器和微控器，其结框图如图2所示。

图2 自校准单元结构框图

内部基准源部分由高稳定度、低温度系数的电压基准AD780来实现，对于该电压基准的校准可以通过输入输出接口外接高精度数字电压表准确测量电压值，通过上位机软件将该电压值写入内部存储器中以备用。

对于精密电阻的选择要综合考虑，要尽量选择温度系数低的电阻，本设计选用的电阻在20℃情况下，阻值变化为0.01%，能够满足校准精度的要求。AD采样部分要综合考虑精密电阻的阻值、参考电压源及要校准电阻的范围，本设计选用的精密电阻为180 kΩ，参考电压为2.5 V，最小误差范围为10 Ω，这样通过以上标定电路可计算知采样AD至少为20 Bit;AD采集部分选用LT公司的24位高精度模数转换器LTC2400，是由于本系统测量通道数很多，因此在LTC2400的前端使用多路模拟开关对ADC进行复用。使用7片CD4097(双8选1模拟开关)构成一个双50选1模拟开关，使用模拟开关的触点1～50在输出的各个电阻之间进行切换;在双50选1的模拟开关和ADC之间接入8选1模拟开关CD4051，在要校准电阻和外接ADC校准电压之间进行切换[2]。

2.1 自校准工作流程

自校准具体的实现过程如下:

1)首先通过主控部分控制继电器切换到标准电压源电路，整个设备进入自校准过程;

2)双50选1的模拟开关通过切换到要校准电阻回路，再通过一个8选1模拟开关切换分别得到精密电阻端电压和需校准电阻端电压;

3)通过精密电阻端电压可以求得回路中电流，再通过回路中电流和测量电阻端电压可以知道测量电阻的电阻值，通过与设定值比较可得到该点的校准值;

4)依次重复2，3过程可以得到各个通道下设定电阻的校准值。

以上自校准过程是在自校准系统本身的参数经过校准的状态下进行的，对于自校准系统本身参数的校准是通过输入输出接口部分外接标准设备对内部精密电阻、AD采样电路、内部基准电压源进行校准，并将校准值写入内部存储器中，以备在计算测量电阻校准值时采用。

2.2 内部ADC采样通道的校准

对于内部ADC采样电路的校准采用外接标准源的方法，通过输入输出接口将外接标准电压源接入，切换开关部分将ADC采样电路输入端接入标准电压源。对于ADC采样电路的校准方案，根据不同的精度要求可分为线性拟合和非线性拟合[3－6]。

1)线性拟合方法

假定在ADC采样范围内满足y=kx+b，对于线性拟合也可分成两种，一种是两点校准，另外一种是多点校准。

两点校准方案是通过标准源输入ADC采样满度值的10%，这时ADC采样可得到电压值U1，再通过标准源输入ADC采样满度值的80%，ADC采样可得到电压值U2，由此可得到

通过联立解方程可得该ADC采样通道的线性校准因子 k，b。

多点校准是通过在ADC采样电压范围内均匀选取多个采样点进行测量，采用最小二乘法可以得到线性拟合参数k，b。

这样，在自校准电路中ADC采样得到的电压值通过k乘以V加上b，便可以得到ADC采样通道校准后的电压值，采用线性拟合方法测量相对误差可以达到0.1%的要求。

2)非线性拟合方法

对于测量相对误差要求高于0.1%要求时，采用线性拟合已经不能满足要求，这时需要采用非线性拟合，也可以称为分段线性拟合。

具体实现为通过在ADC采样电压范围内选取多个采样点，每两个点之间采用线性拟合方案，求出两点之间的线性校准因子ki和bi。

这样，在自校准电路中ADC采样电压值通过判断所在线性区间，调用该区间内的校准因子ki和bi便可得到校准后的电压值，采用非线性拟合方法测量相对误差可以优于0.02%。

3 实验验证

本文采取该自校准方案实现了50路模拟电阻输出，在电阻输出部分加入第3节所述自校准电路实现设备的自校准功能，具体操作如下:

1)首先，通过测量接口对内部ADC采样电路进行校准，在校准电压输入口接入设定的系列电压标准值，设备根据第3节所述内部ADC自校准方案进行校准得到ADC校准参数;

2)采用标准电阻表对内部标准电阻进行测量，将测量值记入指定位置;

3)标准电压表通过外部接口测量内部基准电压源的电压值，将测量数值记入指定位置;

4)根据以上过程设定好的参数，就开始对各个通道的电阻进行校准，一般校准过程较长，校准期间不能停顿，否则需要重新进行通道校准;

5)对于出厂的设备需要对每个通道电阻进行校准，在使用过程中只需对超差的通道电阻进行校准即可，设备的检定也只需对标准电压、标准电阻进行检定。

设备出厂时自校准前与自校准后数据对比见表1。

表1 数据对比

通过以上测试数据可以看出，通过内部自带自校准系统可以大大简化多通道的测试工作量，也可以大大节省多通道设备校准的时间，而且可以将测试结果控制在合理的范围内。

4 结论

通过在多通道设备中加入自校准电路，利用软件来修正硬件上的误差，提升了设备的性能，提高了可靠性，增加了设备的可维护性，减少了人工参与，在自动测试设备和其他一些测量系统中已得到广泛的应用。

[1]叶川，陈强，刘晓勇.基于多种仪器总线的多通道示波器校准系统[J].国外电子测量技术，2011，30(7):77－80.

[2]郭艾.一种高性能基准自校准电路设计研究 [D].重庆:重庆邮电大学，2007.

[3]薛昭武，陈硕.一种基于自校准技术的信号采集系统[J].福州大学学报，2002，30(1):66－69.

[4]纪铁军，任丽军，赵爱明.自校准技术在VXI总线D/A模块中的应用[J].电测与仪表，2002，39(7):34－36.

[5]冯之因.基于模拟自校准技术的12位ADC高速 DAC[J].信息技术，2010(4):16－19.

[6]胡轶群，徐俊臣，杜玉杰，等.数据采集系统中自动校准技术的研究 [J].海洋技术，2012，31(1):21－23.