陳阿琴，門伯龍，劉民

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086)

0 引言

隨著自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，各種多通道的測(cè)試設(shè)備層出不窮，測(cè)試設(shè)備已不再局限于單一的輸入輸出。然而從電學(xué)各個(gè)參量的標(biāo)準(zhǔn)來看，多以單一輸入輸出為主，這給多通道設(shè)備的校準(zhǔn)帶來了一定的不便。傳統(tǒng)的方法是采用手動(dòng)校準(zhǔn)方案，該方案校準(zhǔn)項(xiàng)目繁多、數(shù)據(jù)量大、人工干預(yù)較多、引入誤差較大;也有人提出了基于開關(guān)模塊的方案，通過外接開關(guān)模塊的切換采用分時(shí)復(fù)用的方法來對(duì)多通道設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)?；陂_關(guān)模塊的方案減少了人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校準(zhǔn)，但開關(guān)模塊的引入給整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)帶來了一定影響，而且該方案對(duì)開關(guān)模塊和多通道設(shè)備接口的配合度要求較高，同時(shí)也增加了校準(zhǔn)成本;再則開關(guān)模塊的通道數(shù)往往有限，當(dāng)通道數(shù)在幾百甚至上千路的時(shí)候，要找到合適的開關(guān)模塊難度將增加。如何能更好地對(duì)每臺(tái)多通道測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)成為本論文研究的重點(diǎn)。既然校準(zhǔn)成為每臺(tái)儀器必不可少的測(cè)試項(xiàng)目，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)儀器的時(shí)候何不將自校準(zhǔn)功能在該臺(tái)儀器中實(shí)現(xiàn)了[1]。本文以50路模擬電阻設(shè)備為例說明自校準(zhǔn)技術(shù)在多通道設(shè)備中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于多通道模擬電阻設(shè)備，由于數(shù)字電阻的溫度漂移較大，在長(zhǎng)期使用中不進(jìn)行定期校準(zhǔn)必然會(huì)帶來一定的誤差，使用通用設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)十分麻煩，因此在設(shè)備中內(nèi)置校準(zhǔn)功能，將使設(shè)備的準(zhǔn)確度得到保證。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要模塊包括模擬電阻輸出部分、基準(zhǔn)源部分、開關(guān)電路部分、AD采樣部分、主控部分和輸入輸出接口部分，見圖1。其中:

1)模擬電阻輸出部分用來輸出模擬電阻;

2)基準(zhǔn)源部分為自校準(zhǔn)電路提供高精度電壓源;

3)開關(guān)電路部分為自校準(zhǔn)電路提供多路切換校準(zhǔn)測(cè)量;

4)AD采樣部分為自校準(zhǔn)電路測(cè)量結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換便于傳輸;

5)主控部分協(xié)調(diào)各部分電路工作;

6)輸入輸出接口部分提供校準(zhǔn)內(nèi)部基準(zhǔn)源接口和外接外部基準(zhǔn)源接口。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 自校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

自校準(zhǔn)單元主要包括參考電壓源、精密電阻、模擬開關(guān)、正向跟隨器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控器，其結(jié)框圖如圖2所示。

圖2 自校準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)框圖

內(nèi)部基準(zhǔn)源部分由高穩(wěn)定度、低溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)AD780來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于該電壓基準(zhǔn)的校準(zhǔn)可以通過輸入輸出接口外接高精度數(shù)字電壓表準(zhǔn)確測(cè)量電壓值，通過上位機(jī)軟件將該電壓值寫入內(nèi)部存儲(chǔ)器中以備用。

對(duì)于精密電阻的選擇要綜合考慮，要盡量選擇溫度系數(shù)低的電阻，本設(shè)計(jì)選用的電阻在20℃情況下，阻值變化為0.01%，能夠滿足校準(zhǔn)精度的要求。AD采樣部分要綜合考慮精密電阻的阻值、參考電壓源及要校準(zhǔn)電阻的范圍，本設(shè)計(jì)選用的精密電阻為180 kΩ，參考電壓為2.5 V，最小誤差范圍為10 Ω，這樣通過以上標(biāo)定電路可計(jì)算知采樣AD至少為20 Bit;AD采集部分選用LT公司的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2400，是由于本系統(tǒng)測(cè)量通道數(shù)很多，因此在LTC2400的前端使用多路模擬開關(guān)對(duì)ADC進(jìn)行復(fù)用。使用7片CD4097(雙8選1模擬開關(guān))構(gòu)成一個(gè)雙50選1模擬開關(guān)，使用模擬開關(guān)的觸點(diǎn)1～50在輸出的各個(gè)電阻之間進(jìn)行切換;在雙50選1的模擬開關(guān)和ADC之間接入8選1模擬開關(guān)CD4051，在要校準(zhǔn)電阻和外接ADC校準(zhǔn)電壓之間進(jìn)行切換[2]。

2.1 自校準(zhǔn)工作流程

自校準(zhǔn)具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:

1)首先通過主控部分控制繼電器切換到標(biāo)準(zhǔn)電壓源電路，整個(gè)設(shè)備進(jìn)入自校準(zhǔn)過程;

2)雙50選1的模擬開關(guān)通過切換到要校準(zhǔn)電阻回路，再通過一個(gè)8選1模擬開關(guān)切換分別得到精密電阻端電壓和需校準(zhǔn)電阻端電壓;

3)通過精密電阻端電壓可以求得回路中電流，再通過回路中電流和測(cè)量電阻端電壓可以知道測(cè)量電阻的電阻值，通過與設(shè)定值比較可得到該點(diǎn)的校準(zhǔn)值;

4)依次重復(fù)2，3過程可以得到各個(gè)通道下設(shè)定電阻的校準(zhǔn)值。

以上自校準(zhǔn)過程是在自校準(zhǔn)系統(tǒng)本身的參數(shù)經(jīng)過校準(zhǔn)的狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)于自校準(zhǔn)系統(tǒng)本身參數(shù)的校準(zhǔn)是通過輸入輸出接口部分外接標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)內(nèi)部精密電阻、AD采樣電路、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)值寫入內(nèi)部存儲(chǔ)器中，以備在計(jì)算測(cè)量電阻校準(zhǔn)值時(shí)采用。

2.2 內(nèi)部ADC采樣通道的校準(zhǔn)

對(duì)于內(nèi)部ADC采樣電路的校準(zhǔn)采用外接標(biāo)準(zhǔn)源的方法，通過輸入輸出接口將外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源接入，切換開關(guān)部分將ADC采樣電路輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電壓源。對(duì)于ADC采樣電路的校準(zhǔn)方案，根據(jù)不同的精度要求可分為線性擬合和非線性擬合[3－6]。

1)線性擬合方法

假定在ADC采樣范圍內(nèi)滿足y=kx+b，對(duì)于線性擬合也可分成兩種，一種是兩點(diǎn)校準(zhǔn)，另外一種是多點(diǎn)校準(zhǔn)。

兩點(diǎn)校準(zhǔn)方案是通過標(biāo)準(zhǔn)源輸入ADC采樣滿度值的10%，這時(shí)ADC采樣可得到電壓值U1，再通過標(biāo)準(zhǔn)源輸入ADC采樣滿度值的80%，ADC采樣可得到電壓值U2，由此可得到

通過聯(lián)立解方程可得該ADC采樣通道的線性校準(zhǔn)因子 k，b。

多點(diǎn)校準(zhǔn)是通過在ADC采樣電壓范圍內(nèi)均勻選取多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，采用最小二乘法可以得到線性擬合參數(shù)k，b。

這樣，在自校準(zhǔn)電路中ADC采樣得到的電壓值通過k乘以V加上b，便可以得到ADC采樣通道校準(zhǔn)后的電壓值，采用線性擬合方法測(cè)量相對(duì)誤差可以達(dá)到0.1%的要求。

2)非線性擬合方法

對(duì)于測(cè)量相對(duì)誤差要求高于0.1%要求時(shí)，采用線性擬合已經(jīng)不能滿足要求，這時(shí)需要采用非線性擬合，也可以稱為分段線性擬合。

具體實(shí)現(xiàn)為通過在ADC采樣電壓范圍內(nèi)選取多個(gè)采樣點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間采用線性擬合方案，求出兩點(diǎn)之間的線性校準(zhǔn)因子ki和bi。

這樣，在自校準(zhǔn)電路中ADC采樣電壓值通過判斷所在線性區(qū)間，調(diào)用該區(qū)間內(nèi)的校準(zhǔn)因子ki和bi便可得到校準(zhǔn)后的電壓值，采用非線性擬合方法測(cè)量相對(duì)誤差可以優(yōu)于0.02%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采取該自校準(zhǔn)方案實(shí)現(xiàn)了50路模擬電阻輸出，在電阻輸出部分加入第3節(jié)所述自校準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自校準(zhǔn)功能，具體操作如下:

1)首先，通過測(cè)量接口對(duì)內(nèi)部ADC采樣電路進(jìn)行校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)電壓輸入口接入設(shè)定的系列電壓標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備根據(jù)第3節(jié)所述內(nèi)部ADC自校準(zhǔn)方案進(jìn)行校準(zhǔn)得到ADC校準(zhǔn)參數(shù);

2)采用標(biāo)準(zhǔn)電阻表對(duì)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值記入指定位置;

3)標(biāo)準(zhǔn)電壓表通過外部接口測(cè)量?jī)?nèi)部基準(zhǔn)電壓源的電壓值，將測(cè)量數(shù)值記入指定位置;

4)根據(jù)以上過程設(shè)定好的參數(shù)，就開始對(duì)各個(gè)通道的電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，一般校準(zhǔn)過程較長(zhǎng)，校準(zhǔn)期間不能停頓，否則需要重新進(jìn)行通道校準(zhǔn);

5)對(duì)于出廠的設(shè)備需要對(duì)每個(gè)通道電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，在使用過程中只需對(duì)超差的通道電阻進(jìn)行校準(zhǔn)即可，設(shè)備的檢定也只需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓、標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行檢定。

設(shè)備出廠時(shí)自校準(zhǔn)前與自校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比

通過以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，通過內(nèi)部自帶自校準(zhǔn)系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化多通道的測(cè)試工作量，也可以大大節(jié)省多通道設(shè)備校準(zhǔn)的時(shí)間，而且可以將測(cè)試結(jié)果控制在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過在多通道設(shè)備中加入自校準(zhǔn)電路，利用軟件來修正硬件上的誤差，提升了設(shè)備的性能，提高了可靠性，增加了設(shè)備的可維護(hù)性，減少了人工參與，在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和其他一些測(cè)量系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用。

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