基于LabVIEW虚拟仪器检测过程的校正方法 ①

周 磊, 方振国, 马清峰

(淮北师范大学物理与电子信息工程学院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

对电路进行检测时，各种测量误差直接影响了数据的准确性。即使在仪器校正后，也仍会存在一些难以消除的误差对测量造成影响，因此检测过程中对误差的处理尤为重要。随着各类数据测量要求的不断提高，如何确定并处理仪器误差正在成为检测技术的研究热点。目前国际普遍采用的方法包括误差防止和误差补偿。误差防止上国内外仪器向着高精密加工的方向发展，但制造成本较高。而误差补偿多采用程序校正的方式以减小检测仪器的误差，效率较高且结果明显。若依据误差补偿原理，以LabVIEW虚拟仪器技术设计检测平台，可简易的确定测量过程中存在的误差，并建立相应的模型进行误差补偿。检测平台的设计能有效减小仪器间误差问题，对于数据检测及电路的误差分析有着较大的作用。

1 检测平台

检测平台主要由上位机、函数发生器和示波器组建，结构图如图1所示。上位机为用户提供检测的各项功能操作，实现对整个平台的灵活操控，并可通过LabVIEW编程加入新功能。函数发生器与示波器是平台的主要测量仪器，接入电路并对检测平台校正后，便可通过上位机对各项参数进行测量分析。在上位机发送波形指令后，串口读取测量仪器内部数据，进行分析调整，并执行相应的校正程序，减小检测仪器对电路的影响。

图1 检测平台结构

图2 校正过程等效电路

2 检测过程的阻抗分析

无源探头接入电路进行校正时，建立如图2所示的等效电路图。对于检测仪器间的机械误差、材质、电磁以及电板线路等各方面的难以消除的误差，将这些阻抗较小且短时间内近似固定的阻抗记为R1，并将其视为信号源内阻[1]。探头作为数据测量使用的主要器件，其自校准和补偿不足会对信号的测量产生较大误差。当其接入电路后产生的负载效应直接影响被测电路，探头采用×1档位时，波形无衰减传递的过程中主要受负载效应的影响。探头的负载特性为其测量误差增加了不确定性，记在测量时探头负载效应产生的阻抗为Z2，而设计中所测量波形频率较小，故可主要考虑其内等效电阻R2。最后将示波器内×1档时标准输入阻抗记为Z3，其内等效电阻R3在低频时起主导作用，故R3上的电压为示波器实际测量到的电压值。因此低频测量时检测平台的主要阻抗有R1、R2、R3。

图3 电压误差线性拟合

图4 虚拟仪器前面板

若在每次测量时，将检测平台短期内的阻抗R1、R2视为固定的，则随着上位机所输入电压值的不断改变，阻抗上的电压将随之发生线性变化。两阻抗的影响最终均表现为示波器未能达到使用者所设定的电压值，相反若不存在误差的影响，示波器显示的幅值与上位机所输入电压值相同。以正弦波传输为例，在上位机发送波形命令后，计算阻抗的电压有效值。函数发生器按上位机指令输出一个波形振幅为Um，角频率为ω,初相位为φ的正弦波u(t)，并设示波器电路电压有效值为U1，幅度值为Um1,阻抗R1、R2上的电压为U2[2]。由电路电压关系有：

u(t)=Um·sin(ωt+φ)

(1)

R=R1+R2

(2)

(3)

(4)

图5 校正流程

若每次测量中连线间的阻抗是固定的，则输入电压的振幅Um每增加n倍，阻抗上电压U2随之改变后的电压U2′满足公式：

(5)

3 位机的误差校正

针对检测平过程中存在的误差，上位机采用了LabVIEW开发软件来实现对仪器的调控校正，将函数发生器、示波器与上位机串口连接，执行上位机指令完成各种测量操作。上位机LabVIEW虚拟仪器前面板如图4所示，其校正程序通过前面板校正按键触发，校正键在对示波器波形校正的同时，完成上位机波形的调整。校正后便可以通过上位机对仪器进一步控制，完成对电路的测量。

平台连线完成后，在上位机输入所需的波形参数，并预先通过上位机使示波器执行校正功能。示波器校正后发送波形指令，对仪器内的数据进行读取，执行校正程序，实现仪器的校正。以波形电压校正为例，校正流程如图5所示。首先对示波器进行校正，减小示波器自身误差的影响。触发前面板编译的电压键，上位机发送波形指令，函数发生器在程序控制下产生上位机所设置的电压U，其波形到达示波器时幅度为Um1。对此时两仪器的数据读取,并计算出平台内阻抗的电压U2。在检测平台内各类阻抗的影响下，示波器所测得的电压未达到上位机所设电压，即平台的输出电压未满足测量要求。为减小误差的影响，使示波器呈现理想的测量值，校准程序将微调平台内函数发生器的电压。同时由于微调后的电压改变量远远小于原电压U，并受到电路阻抗及示波器精度的限制，电压U的微小增减难以使误差再次改变。在程序设计上，对于误差给测量带来的影响，在不改变上位机所设电压的情况下，通过校正程序微调函数发生器实际产生的电压，在阻抗影响传输后，示波器的电压受到的影响大大减小，仍能较大程度上接近理想的电压值。为便于观测，在示波器测得的电压接近理想电压后，上位机自动执行对波形的采集，并在其虚拟示波器前面板上呈现校正后误差减小的波形。校正完成后便可以电压U对实际电路进行量测，在一定程度上减小误差对电路的影响。以U为100mV的正弦波为例，虚拟前面板校正前后对比如图6所示。

图6 校正前后波形对比

图7 串联分压电路

4 电路测量应用

检测平台由常见的示波器、函数发生器及PC机组成，编程修改指令后，可对各类测量仪器进行简单操控。将其接入所测电路，校正处理可有效的减小电压误差的问题，满足电路中各元器件的电压需要，在测量时获得更为精确有效的数据。为验证校正后电路的测量效果，以分压电路对实际测量数据进行记录比较。如下图7所示为一简单分压电路，采用两相同的电阻串联，在串联电路上设两测量端口1、2，在接入函数发生器后，以示波器对1端口和2端口进行测量。理论上1端口的电压应与输入电压相等，2端口的电压为输入电压的二分之一。而实际测量过程中，受各方面误差的影响，其测量值均小于理论电压。在上位机的控制下，逐渐增加输入电压，并同时测量两端口校正前后的电压。校正前后端口电压数据记录结果如表1所示。从表中数据看出校正前后输入端口1及2端口电阻上的电压误差明显减小，更接近于理想电压。

表1 校正前后端口电压对比

5 程序框图

为达到检测平台的校正效果，LabVIEW程序框图主要使用了条件结构、循环结构和事件结构来实现大部分按键功能以及误差校正。通过前面板按键的触发状态决定其结构对应的指令是否执行。在按键触发后，程序框图运行并对仪器发送的一系列指令，以达到按键设计的目的。整个框图主要包括示波器和函数发生器两大部分，两仪器的主要控制程序相互独立，误差校正时可以通过局部变量相互调用[3]。其部分程序框图如图8所示。

图8 部分程序框图

6 结 语

检测平台以常见的示波器与函数发生器作为测量仪器，以LabVIEW软件进行程序设计，针对日常检测中所遇到的误差问题进行了一定的分析。平台将上位机的电压值及波形作为实际观测的数据，根据每次测量中所存在的误差调节函数发生器与示波器的参数，一定程度上减小了误差对电路检测的影响，提高了测量数据的准确性。