基于LXI 的示波器校准仪自动校准系统研究

秦 越，徐 涛，单 伟，韩剑波

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041）

随着电子测量行业的快速发展，示波器校准仪的功能越来越多，性能指标也越来越高，现在的示波器校准仪具有频率范围大、量程宽、精度高、平坦度好、信号类型多等特点[1]。但是由于长期的使用、不规范的操作、环境等因素的影响，导致仪器发生偏差，信号精度下降、性能稳定性降低等[2-3]。示波器校准仪作为示波器的测量标准，其测量的准确性、性能的稳定性就显得尤其重要[4-6]，需要定期对示波器校准仪进行校准。然而示波器校准仪信号类型多、数据量大、操作复杂等因素增加了示波器校准仪校准难度，因此，本文在此基础上建立了示波器校准仪自动校准系统。

1 系统总体方案

本文基于LAN 接口设计了高精度示波器校准仪自动校准系统，以总线作为桥梁，结合软件的设计，将一系列可远程控制的仪器与计算机构建成一个大型的自动测试[7-8]、自动校准系统。

1.1 自动校准系统硬件结构

示波器校准仪的自动校准系统由示波器校准仪、标准仪器和计算机三大部分组成，自动校准系统结构框图如图1 所示。示波器校准仪需要校准的项目众多[9]，本文研究的自动校准系统校准项目包括：稳幅正弦波、直流、方波、快沿、负载电阻、负载电容及线性三角波。

图1 自动校准系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of automatic calibration system

根据稳幅正弦波频率范围、幅度范围、平坦度要求，本文选用了N1913A 型号的功率计和E9304A型号的功率计传感器作为稳幅正弦波幅度参数的标准仪器，功率计的测量范围和测量精度取决于功率计传感器。通过分析稳幅正弦波幅度的平坦度要求可知，选用的功率计传感器完全满足要求。同样依据稳幅正弦波频率准确度、频率范围，选择53230A型号的频率计校准稳幅正弦波频率参数。其它校准信号标准仪器选择方法类似，本文不再详细阐述，直流信号和方波信号的幅度参数，选择3458A 型号的数字万用表作为标准仪器；快沿信号的幅度参数选择L4532A 型号的数字化仪作为标准仪器；线性三角波的幅度参数和线性度，选用数字存储示波器DSA70404B 和数字万用表3458A 作为线性三角波的标准仪器。

1.2 自动校准系统软件设计

本文使用Qt 作为软件开发工具，方便以后软件的移植、功能扩展以及优化，数据库模块载体设计使用由微软发布的关系数据库管理系统Access。

本文自动校准系统软件设计主要包括4 个部分，如图2 所示，分别为仪器控制模块、自动测试系统、数据库管理模块、数据建模。首先实现示波器校准仪和标准仪器的程控，完成自动测试系统的组建；然后通过自动测试系统测量校准的信号参数的数据保存至数据库，分析测量数据，判断是否超出误差范围，若超出误差范围，则使用测量数据建立数据模型，并结合校准方法生成校准系数保存至数据库，调用校准系数下发至示波器校准仪完成校准；最后再通过自动测试系统验证校准后的示波器校准仪，生成校准证书。

图2 自动校准系统软件组成Fig.2 Software composition of automatic calibration system

2 解决的关键技术

该系统校准信号所用的校准方法和数据建模类似，下文将详细阐述直流和方波信号校准方法。

2.1 校准方法

为了直流和方波信号校准更加精确，本文在直流和方波模块中设计了直流和方波信号的反馈电路[10]。输出信号通过ADC 把模拟信号转换为数字信号，信号经过增益（放大和衰减），然后通过FPGA 控制将反馈回来的数字信号存入ARM，保存到Flash中，最后通过软件读取ARM 中的反馈数据保存至数据库处理。首先通过设计的自循环补偿修正方法进行初校准，直流信号自循环补偿步骤如下：

（1）测量直流电压实际反馈值，计算出绝对误差和相对误差，存入数据表；

（2）判断误差是否在范围内，若不满足，则使用式（1）计算出输入电压值，若满足，则输入电压值不变；

（3）发送计算出的输入电压值通过自循环测量出直流电压实际反馈值，重复步骤（1）和（2），直至达到误差设置范围。

由于反馈信号经过多级电路后会造成信号的衰弱，因此，自循环校准并不能满足校准要求，还需结合信号测量参数数据建模技术生成校准系数实现直流和方波信号校准。

2.2 数据建模

直流和方波信号在参数测量过程中，经过多次测试试验，方波幅度和直流电压测量值在范围内多次出现拐点，拐点的出现影响数据建模和校准精度，因此，结合硬件设计，本文在直流和方波信号的数据处理中采用了分段的思想。下文以直流信号电压值分段处理为例说明（方波信号类似），输出电压范围划分为3 段，第一段为40 μV～150 mV，第二段为150 mV～10 V，第三段为10 V～200 V。根据反馈电路信号和校准要求，控制电压输出范围，将信号进行分段，直流信号分段范围见表1。

表1 直流信号电压分段范围Tab.1 Segment range of DC signal voltage

自动测试系统测量直流和方波信号参数数据时，设置步进太大，参数数据准确性降低，直接影响校准精度；设置步进太小，测量数据较多，工作量大，数据建模时间较长，影响校准效率，因此，选取合适的步进是数据建模的关键。下文以采集直流信号参数为例，当阻抗为50 Ω 时，设置直流电压范围±1 mV～±5 V，设置步进为0.001 V；当阻抗为1 MΩ时，设置直流电压范围±1 mV～±200 V，设置步进为0.01 V。使用自动测试系统多次测量，保存至数据表，去除畸变点，并计算出测量点的平均值。

通过回归分析对校准参数进行相关性分析，去除无关量，可以确定被校准信号对应的影响因子。以直流信号电压参数为例，通过分析可知影响电压参数的因素有输入电压、反馈电压，因此，设实际电压参数测量值和反馈电压值作为输入变量，输入电压值作为输出变量。本文采用数据分段建模方法处理测量数据，根据已建立好的MLP 模型，调用数据库中已预处理的测量数据，训练网络模型，调整网络结构和参数，使网络达到最佳性能。直流信号数据拟合结果如图3 所示，经过自动测试系统验证该数据处理方法生成的校准系数，满足校准指标。

图3 直流信号数据处理结果Fig.3 DC signal data processing results

3 结语

本文从仪器控制、自动测试系统、校准方法和数据建模4 个方面论述了示波器校准仪自动校准系统的设计过程，针对直流和方波信号提出了自循环补偿修正和数据分段建模技术相结合的校准方法。该系统减少了人为误差，提高了校准准确度和校准效率，同时使校准更加简便化。本系统已成功应用于测试项目中。