基于GJB7691-2012的通用数字示波器自动检定关键技术的研究*

江思杰 马 耿 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)



基于GJB7691-2012的通用数字示波器自动检定关键技术的研究*

江思杰 马 耿 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

作为一款时域电子测试仪器,示波器在科研、电力、医疗等多个方面得到了广泛的应用,随着计算机技术的不断进步,性能强大的数字示波器应运而生,同时,自动控制技术的普及使得数字示波器自动校准检定成为可能。论文以最新的数字示波器检定规程GJB7691-2012为基础,针对新规程在检定与计算方法上的调整进行了分析,结合虚拟仪器与数据库技术完成了一种基于FLUKE9500B的通用数字示波器自动检定系统的设计,并就其关键技术进行了研究,同时通过试验结果比较验证了该方案的可靠性与可行性,并在计量工作中得到应用。

数字示波器检定系统; GJB7691-2012; 虚拟仪器; 数据库; FLUKE9500B

Class Number TP206

1 引言

随着科学技术的快速发展,示波器早已成为电力、医疗、航天等领域技术工作者不可缺少的重要工具。由于长时间的使用或外部环境的影响,示波器内部的元器件会发生漂移、老化、甚至损坏等情况,因此,定期对其进行校准检定是保证其正常工作的必要手段。以往示波器检定由于检定项目多、参数量大等原因,需由专人负责其检定从而缓解高强度的工作压力。新数字示波器检定规程的到来加剧了当前的示波器检定现状,使得示波器自动检定迫在眉睫,其主要改动包括:

1) 频带宽度的测量方法稍微有些变化,使其更容易实现编程;

2) 大部分项目都要求分别在50Ω和1MΩ阻抗下分别对每个灵敏度档都检定,满足了实际使用中每个档的正常使用,但同时也大大增加了检定人员的工作量;

3) 以更贴切实际应用需求为目的,将直流偏置、探极衰减比、输入电阻、触发灵敏度等检定项目放在了周期检定必检项目中,使得检定项目更合理,但同时测量项目的增加意味着测量所需要时间的增加;

4) 时基测量采用了全新的测量方法,利用自动测试可以使其测量结果更准确。

随着现代化步伐的不断推进,数字示波器的自动校准检定系统也层出不穷,其中FLUKE开发的应用软件平台MET/CAL的应用最为广泛,然而,现阶段的数字示波器自动检测系统仍然存在被检数字示波器型号单一、检定项目种类不全、扩展能力较低等问题。

本文依据GJB7691-2012,针对现阶段的数字示波器检定所存在的问题,提出了一种智能化、自动化的通用数字示波器自动检定系统,并从系统硬件构成、检定流程、软件设计、关键技术研究等方面对其进行了详细的阐述,最后通过现场试验结果对比验证了该系统的可靠性与可行性。

2 系统硬件构成

系统主要硬件包括工控机、FLUKE9500B、数据连接线(LPT、RS-232、GPIB、LAN皆可)与打印机,如图1所示。工控机作为控制核心与管理中枢,通过数据连接线控制FLUKE9500B输出检定波形,并通过被检数字示波器读取并显示每个项目的测量参数。当整个检定流程完毕之后,利用Matlab对测量参数进行计算并判定是否合格,并输出电子版原始数据,最终形成完整的检定报告。

图1 通用示波器自动检定系统结构框图

根据现阶段的数字示波器检定所存在的问题,系统结合数据库技术与检定经验进行了如下改善:

1) 数据库仪器智能检索。系统将以往检过的数字示波器型号录入到MySQL数据库中,当接入送检数字示波器时,系统会自动查询该设备的型号并通过数据库检索对应的编程指令,同时,预生成检定报告封面,实现全自动数字示波器检定。

2) 全项目自定义检定。系统参照GJB7691-2012,将数字示波器检定模式分为首次检定、周期检定、修后检定与自定义检定,前三种模式的检定项目为固定模式,自定义检定模式便于某些送检单位根据自身科研需要指定某些可不检项目进行检定。

3) 可编程模块。系统将不同厂家多种型号的数字示波器编程指令集成到MySQL数据库中,旨在实现可编程化的自动检定模式。如图2所示,检定人员可根据自身需求在软件界面中添加或修改某型号所对应的编程指令,并在检定操作开始之前对修改后的指令进行调试,确保指令正常运行,如遇到突然停电或未保存所导致的指令丢失可通过复位选项来恢复该型号的默认操作指令。

3 系统运行流程

系统运行流程如图2所示。检定开始前,系统会进行初始化,在完成被检数字示波器端口搜索的同时预设置证书报告的相关格式,当端口确认完毕后系统会调用MySQL数据库命令自动检索对应的仪器数据库与辅助参数,之后,系统会根据检定人员选所选定的检定模式与检定项目自动实现数字示波器检定流程并调用Matlab实现算法处理,每当一个项目检定完成之后系统会提示操作人员并以该项目名称与检定日期为文件名自动保存检定信息到Excel中。当被检数字示波器检定完成之后,系统将严格按照计量准则自动生成电子档原始记录,如果该设备需要做校准,则系统会再次调用Matlab对不确定度进行计算。最后,系统会自动整合所测的检定参数生成检定报告电子文档,并由打印机自动输出纸质检定报告。

4 系统关键技术的研究

本系统采用虚拟仪器技术,将LabVIEW2011作为开发平台,利用VISA2011驱动函数实现FLUKE9500B校准器与数字示波器的自动检定控制流程,并结合MySQL数据库实现数字示波器的智能检索、检定信息存储与报告格式预处理,最后调用Matlab进行数据计算与不确定的算法处理。此外,本系统还提供可编程模块,便于检定人员根据需要对检定项目进行调整。

图2 系统运行流程图

4.1 数字示波器接口、型号与指令的智能检索

由于不同厂商甚至同一厂商不同型号的数字示波器在接口与编程指令上会有很大的区别,实现全系列数字示波器自动检定是非常必要的。本系统利用MySQL数据库,同时查阅不同型号数字示波器的编程指令,根据GJB7691-2012检定规程进行调试,并将调试完成的检定流程指令录入到数据库中。整个数据库包含四大厂商,分别为:Tektronix、Agilent、Rohde-Schwarz与FLUKE,其子数据库又以系列的形式分布,例如TDS、DPO、MSO等,之后,根据不同的型号建立数据表格并将调试成功的检定流程指令逐条录入。

当数字示波器接入时,系统会探知该接口并发送查询命令,在获取产品信息后,系统会根据厂家、系列与型号智能检索并调用该数字示波器的编程指令,同时,结合送检单位、检定日期、检定人等信息预生成检定证书封面,实现全系列的数字示波器自动检定与检定报告智能输出。

4.2 数字示波器过冲检定设计

数字示波器瞬态响应包含两个参数,上升时间与过冲。然而,在进行过冲项目检定时会存在如下两个问题:

1) 许多低端数字示波器例如Tektronix TDS2000系列以下,没有测量过冲值的功能;

2) 一部分数字示波器例如Tektronix DPO4000系列,其内部的过冲计算函数存在一定误差,导致过冲值测量极为不准。

针对上述问题,本系统严格按照GJB7691-2012检定规程中实时采样下的过冲检定方法,通过编程指令获取上升沿脉冲幅度值A与脉冲上升后的第一个峰峰值V,并由V-A计算出峰值与顶量值的差值b,之后根据式(1)计算出Sb过冲值。

(1)

4.3 数字示波器上升时间检定设计

在实际检定中,某些型号的示波器,如Tektronix4000系列,其自动测量功能中的上升时间测量存在较大的误差,无法满足自动测试的精度要求。

本系统为了规避数字示波器自动测量所带来的误差,使用采集取点法解决该问题。具体方法是:通过数字示波器指令直接获取波形数据Y、dt、t0,根据上升时间的定义,分别提取脉冲幅度在10%、90%左右的多个时间点并计算平均值,从而得到t10%与t90%,两者的差值即为脉冲从脉冲幅度的10%～90%所占用的时间—上升时间tr,上升时间检定波形如图3所示。

4.4 数字示波器时基检定设计

在GJB7691-2012中对时基的检定采用了全新的三种方法:延迟法、混叠法和测量时钟输出法。其中延迟和测量时钟输出只适用于带有延迟功能和带有时基时钟输出的示波器。只有混叠法适用所有示波器,所以本系统采用混叠法。

图3 上升时间检定波形

对于此方法最大的难点是判断频幕上出现约五个周期的混叠正弦波形。本系统利用Matlab强大数学计算功能,实现全自动数字示波器时基鉴定,具体方法如下:

根据混叠机理,可得出分析信号混叠频率计算公式。

fA=|f-nSF|

(2)

其中:n=Int(f/SF+0.5)。fA为混叠频率,SF为采样频率,f为输入频率。

根据GJB7691-2012规定,数字示波器输入信号的时钟频率为10MHz,且需调整时基灵敏度档使得屏幕上显示约五个混叠波形。根据时基灵敏度SN与fA的公式:

(3)

由于每台示波器的最大采样率SFmax和最小时基灵敏度档SNmin都是已知的,可通过式(4)

(4)

算出等效线性关系,将其代入到式(3)中得到采样频率SF与混叠频率fA的关系式:

(5)

之后,将式(5)代入式(2)即可求出采样频率SF:

(6)

之后,利用示波器编程指令将时基灵敏度档位设置到SF可以使得被检示波器屏幕上出现约五个周期的混叠正弦波形。

最后,依据GJB7691-2012规程所述,选取频率测量功能对频幕上出现输入信号和取样的差拍波形频率进行读数。读取并记录此时频率值Δf,按式(7)计算时基的相对误差:

(7)

5 验证比较

系统的操作界面与可编程模块如图4所示,在系统搭建完毕之后,在实验室中进行了调试验证,参与验证的示波器包括:Tektronix TDS2024、Tektronix TDS3052、Tektronix DPO4054、Tektronix MSO4054、Agilent DSO7104A、LeCroy 204MXi-A。分别通过LTP、GPIB数据线将被检数字示波器、FLUKE 9500B连接到工控机上,对每个示波器进行一次完整的检定。

图4 数字示波器自动检定系统操作界面(上)与可编程模块(下)

本次验证测试灵敏度档位范围为5mV/div～200mV/div,对单通道CH1的频带宽度、上升时间、直流增益、过冲几个主要指标进行测试比对,取20mV/div、50mV/div、100mV/div三个重要灵敏度档的数据作为测试结果进行比对,测量结果如表1所示。

通过表1的验证结果可知,由于频段宽度与直流增益测试均是通过数字示波器自动测量指令完成,因此本系统与人工测量结果差距不大,但在上升时间与过冲检定方面,本系统测试结果优于人工测量,验证了本系统在关键技术上的突破,且在总测试时间上比人工测量降低了一倍之多,极大地提高了数字示波器检定效率。

6 结语

本文通过分析GJB7691-2012在老规程基础上的改动,研制出了一种基于新规程的通用数字示波器检定系统,同时,就数字示波器自动检定过程中的关键技术进行了研究,在减少人工操作的基础上提高了数字示波器测试精度。本数字示波器自动检定系统经过长时间的使用证明了其具有数据可靠、操作方便、功能齐全等优点,极大地提高了我国防科工4213计量站的工作效率,为后续的规范化建设打下了坚实的基础。

表1 验证测试结果比对

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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,硕士,工程师,研究方向:仪器与测试技术、数据算法处理、机械自动化控制、低频通信技术、计量科研等。马耿,男,工程师,研究方向:仪器与测试技术、计量科研等。江传华,女,硕士,研究员,研究方向:低频通信技术、天线理论技术、仪器与测试技术、数据算法处理、计量科研等。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.017