江思杰 馬 耿 江傳華

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

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基于GJB7691-2012的通用數(shù)字示波器自動(dòng)檢定關(guān)鍵技術(shù)的研究*

江思杰 馬 耿 江傳華

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

作為一款時(shí)域電子測(cè)試儀器,示波器在科研、電力、醫(yī)療等多個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,性能強(qiáng)大的數(shù)字示波器應(yīng)運(yùn)而生,同時(shí),自動(dòng)控制技術(shù)的普及使得數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)檢定成為可能。論文以最新的數(shù)字示波器檢定規(guī)程GJB7691-2012為基礎(chǔ),針對(duì)新規(guī)程在檢定與計(jì)算方法上的調(diào)整進(jìn)行了分析,結(jié)合虛擬儀器與數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成了一種基于FLUKE9500B的通用數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,同時(shí)通過試驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證了該方案的可靠性與可行性,并在計(jì)量工作中得到應(yīng)用。

數(shù)字示波器檢定系統(tǒng); GJB7691-2012; 虛擬儀器; 數(shù)據(jù)庫; FLUKE9500B

Class Number TP206

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,示波器早已成為電力、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域技術(shù)工作者不可缺少的重要工具。由于長(zhǎng)時(shí)間的使用或外部環(huán)境的影響,示波器內(nèi)部的元器件會(huì)發(fā)生漂移、老化、甚至損壞等情況,因此,定期對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)檢定是保證其正常工作的必要手段。以往示波器檢定由于檢定項(xiàng)目多、參數(shù)量大等原因,需由專人負(fù)責(zé)其檢定從而緩解高強(qiáng)度的工作壓力。新數(shù)字示波器檢定規(guī)程的到來加劇了當(dāng)前的示波器檢定現(xiàn)狀,使得示波器自動(dòng)檢定迫在眉睫,其主要改動(dòng)包括:

1) 頻帶寬度的測(cè)量方法稍微有些變化,使其更容易實(shí)現(xiàn)編程;

2) 大部分項(xiàng)目都要求分別在50Ω和1MΩ阻抗下分別對(duì)每個(gè)靈敏度檔都檢定,滿足了實(shí)際使用中每個(gè)檔的正常使用,但同時(shí)也大大增加了檢定人員的工作量;

3) 以更貼切實(shí)際應(yīng)用需求為目的,將直流偏置、探極衰減比、輸入電阻、觸發(fā)靈敏度等檢定項(xiàng)目放在了周期檢定必檢項(xiàng)目中,使得檢定項(xiàng)目更合理,但同時(shí)測(cè)量項(xiàng)目的增加意味著測(cè)量所需要時(shí)間的增加;

4) 時(shí)基測(cè)量采用了全新的測(cè)量方法,利用自動(dòng)測(cè)試可以使其測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

隨著現(xiàn)代化步伐的不斷推進(jìn),數(shù)字示波器的自動(dòng)校準(zhǔn)檢定系統(tǒng)也層出不窮,其中FLUKE開發(fā)的應(yīng)用軟件平臺(tái)MET/CAL的應(yīng)用最為廣泛,然而,現(xiàn)階段的數(shù)字示波器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)仍然存在被檢數(shù)字示波器型號(hào)單一、檢定項(xiàng)目種類不全、擴(kuò)展能力較低等問題。

本文依據(jù)GJB7691-2012,針對(duì)現(xiàn)階段的數(shù)字示波器檢定所存在的問題,提出了一種智能化、自動(dòng)化的通用數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng),并從系統(tǒng)硬件構(gòu)成、檢定流程、軟件設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研究等方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,最后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性與可行性。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)主要硬件包括工控機(jī)、FLUKE9500B、數(shù)據(jù)連接線(LPT、RS-232、GPIB、LAN皆可)與打印機(jī),如圖1所示。工控機(jī)作為控制核心與管理中樞,通過數(shù)據(jù)連接線控制FLUKE9500B輸出檢定波形,并通過被檢數(shù)字示波器讀取并顯示每個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量參數(shù)。當(dāng)整個(gè)檢定流程完畢之后,利用Matlab對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并判定是否合格,并輸出電子版原始數(shù)據(jù),最終形成完整的檢定報(bào)告。

圖1 通用示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)現(xiàn)階段的數(shù)字示波器檢定所存在的問題,系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)與檢定經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了如下改善:

1) 數(shù)據(jù)庫儀器智能檢索。系統(tǒng)將以往檢過的數(shù)字示波器型號(hào)錄入到MySQL數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)接入送檢數(shù)字示波器時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)查詢?cè)撛O(shè)備的型號(hào)并通過數(shù)據(jù)庫檢索對(duì)應(yīng)的編程指令,同時(shí),預(yù)生成檢定報(bào)告封面,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)字示波器檢定。

2) 全項(xiàng)目自定義檢定。系統(tǒng)參照GJB7691-2012,將數(shù)字示波器檢定模式分為首次檢定、周期檢定、修后檢定與自定義檢定,前三種模式的檢定項(xiàng)目為固定模式,自定義檢定模式便于某些送檢單位根據(jù)自身科研需要指定某些可不檢項(xiàng)目進(jìn)行檢定。

3) 可編程模塊。系統(tǒng)將不同廠家多種型號(hào)的數(shù)字示波器編程指令集成到MySQL數(shù)據(jù)庫中,旨在實(shí)現(xiàn)可編程化的自動(dòng)檢定模式。如圖2所示,檢定人員可根據(jù)自身需求在軟件界面中添加或修改某型號(hào)所對(duì)應(yīng)的編程指令,并在檢定操作開始之前對(duì)修改后的指令進(jìn)行調(diào)試,確保指令正常運(yùn)行,如遇到突然停電或未保存所導(dǎo)致的指令丟失可通過復(fù)位選項(xiàng)來恢復(fù)該型號(hào)的默認(rèn)操作指令。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。檢定開始前,系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行初始化,在完成被檢數(shù)字示波器端口搜索的同時(shí)預(yù)設(shè)置證書報(bào)告的相關(guān)格式,當(dāng)端口確認(rèn)完畢后系統(tǒng)會(huì)調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)庫命令自動(dòng)檢索對(duì)應(yīng)的儀器數(shù)據(jù)庫與輔助參數(shù),之后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢定人員選所選定的檢定模式與檢定項(xiàng)目自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器檢定流程并調(diào)用Matlab實(shí)現(xiàn)算法處理,每當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目檢定完成之后系統(tǒng)會(huì)提示操作人員并以該項(xiàng)目名稱與檢定日期為文件名自動(dòng)保存檢定信息到Excel中。當(dāng)被檢數(shù)字示波器檢定完成之后,系統(tǒng)將嚴(yán)格按照計(jì)量準(zhǔn)則自動(dòng)生成電子檔原始記錄,如果該設(shè)備需要做校準(zhǔn),則系統(tǒng)會(huì)再次調(diào)用Matlab對(duì)不確定度進(jìn)行計(jì)算。最后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)整合所測(cè)的檢定參數(shù)生成檢定報(bào)告電子文檔,并由打印機(jī)自動(dòng)輸出紙質(zhì)檢定報(bào)告。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù),將LabVIEW2011作為開發(fā)平臺(tái),利用VISA2011驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)FLUKE9500B校準(zhǔn)器與數(shù)字示波器的自動(dòng)檢定控制流程,并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的智能檢索、檢定信息存儲(chǔ)與報(bào)告格式預(yù)處理,最后調(diào)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與不確定的算法處理。此外,本系統(tǒng)還提供可編程模塊,便于檢定人員根據(jù)需要對(duì)檢定項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4.1 數(shù)字示波器接口、型號(hào)與指令的智能檢索

由于不同廠商甚至同一廠商不同型號(hào)的數(shù)字示波器在接口與編程指令上會(huì)有很大的區(qū)別,實(shí)現(xiàn)全系列數(shù)字示波器自動(dòng)檢定是非常必要的。本系統(tǒng)利用MySQL數(shù)據(jù)庫,同時(shí)查閱不同型號(hào)數(shù)字示波器的編程指令,根據(jù)GJB7691-2012檢定規(guī)程進(jìn)行調(diào)試,并將調(diào)試完成的檢定流程指令錄入到數(shù)據(jù)庫中。整個(gè)數(shù)據(jù)庫包含四大廠商,分別為:Tektronix、Agilent、Rohde-Schwarz與FLUKE,其子數(shù)據(jù)庫又以系列的形式分布,例如TDS、DPO、MSO等,之后,根據(jù)不同的型號(hào)建立數(shù)據(jù)表格并將調(diào)試成功的檢定流程指令逐條錄入。

當(dāng)數(shù)字示波器接入時(shí),系統(tǒng)會(huì)探知該接口并發(fā)送查詢命令,在獲取產(chǎn)品信息后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)廠家、系列與型號(hào)智能檢索并調(diào)用該數(shù)字示波器的編程指令,同時(shí),結(jié)合送檢單位、檢定日期、檢定人等信息預(yù)生成檢定證書封面,實(shí)現(xiàn)全系列的數(shù)字示波器自動(dòng)檢定與檢定報(bào)告智能輸出。

4.2 數(shù)字示波器過沖檢定設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器瞬態(tài)響應(yīng)包含兩個(gè)參數(shù),上升時(shí)間與過沖。然而,在進(jìn)行過沖項(xiàng)目檢定時(shí)會(huì)存在如下兩個(gè)問題:

1) 許多低端數(shù)字示波器例如Tektronix TDS2000系列以下,沒有測(cè)量過沖值的功能;

2) 一部分?jǐn)?shù)字示波器例如Tektronix DPO4000系列,其內(nèi)部的過沖計(jì)算函數(shù)存在一定誤差,導(dǎo)致過沖值測(cè)量極為不準(zhǔn)。

針對(duì)上述問題,本系統(tǒng)嚴(yán)格按照GJB7691-2012檢定規(guī)程中實(shí)時(shí)采樣下的過沖檢定方法,通過編程指令獲取上升沿脈沖幅度值A(chǔ)與脈沖上升后的第一個(gè)峰峰值V,并由V-A計(jì)算出峰值與頂量值的差值b,之后根據(jù)式(1)計(jì)算出Sb過沖值。

(1)

4.3 數(shù)字示波器上升時(shí)間檢定設(shè)計(jì)

在實(shí)際檢定中,某些型號(hào)的示波器,如Tektronix4000系列,其自動(dòng)測(cè)量功能中的上升時(shí)間測(cè)量存在較大的誤差,無法滿足自動(dòng)測(cè)試的精度要求。

本系統(tǒng)為了規(guī)避數(shù)字示波器自動(dòng)測(cè)量所帶來的誤差,使用采集取點(diǎn)法解決該問題。具體方法是:通過數(shù)字示波器指令直接獲取波形數(shù)據(jù)Y、dt、t0,根據(jù)上升時(shí)間的定義,分別提取脈沖幅度在10%、90%左右的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)并計(jì)算平均值,從而得到t10%與t90%,兩者的差值即為脈沖從脈沖幅度的10%～90%所占用的時(shí)間—上升時(shí)間tr,上升時(shí)間檢定波形如圖3所示。

4.4 數(shù)字示波器時(shí)基檢定設(shè)計(jì)

在GJB7691-2012中對(duì)時(shí)基的檢定采用了全新的三種方法:延遲法、混疊法和測(cè)量時(shí)鐘輸出法。其中延遲和測(cè)量時(shí)鐘輸出只適用于帶有延遲功能和帶有時(shí)基時(shí)鐘輸出的示波器。只有混疊法適用所有示波器,所以本系統(tǒng)采用混疊法。

圖3 上升時(shí)間檢定波形

對(duì)于此方法最大的難點(diǎn)是判斷頻幕上出現(xiàn)約五個(gè)周期的混疊正弦波形。本系統(tǒng)利用Matlab強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算功能,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)字示波器時(shí)基鑒定,具體方法如下:

根據(jù)混疊機(jī)理,可得出分析信號(hào)混疊頻率計(jì)算公式。

fA=|f-nSF|

(2)

其中:n=Int(f/SF+0.5)。fA為混疊頻率,SF為采樣頻率,f為輸入頻率。

根據(jù)GJB7691-2012規(guī)定,數(shù)字示波器輸入信號(hào)的時(shí)鐘頻率為10MHz,且需調(diào)整時(shí)基靈敏度檔使得屏幕上顯示約五個(gè)混疊波形。根據(jù)時(shí)基靈敏度SN與fA的公式:

(3)

由于每臺(tái)示波器的最大采樣率SFmax和最小時(shí)基靈敏度檔SNmin都是已知的,可通過式(4)

(4)

算出等效線性關(guān)系,將其代入到式(3)中得到采樣頻率SF與混疊頻率fA的關(guān)系式:

(5)

之后,將式(5)代入式(2)即可求出采樣頻率SF:

(6)

之后,利用示波器編程指令將時(shí)基靈敏度檔位設(shè)置到SF可以使得被檢示波器屏幕上出現(xiàn)約五個(gè)周期的混疊正弦波形。

最后,依據(jù)GJB7691-2012規(guī)程所述,選取頻率測(cè)量功能對(duì)頻幕上出現(xiàn)輸入信號(hào)和取樣的差拍波形頻率進(jìn)行讀數(shù)。讀取并記錄此時(shí)頻率值Δf,按式(7)計(jì)算時(shí)基的相對(duì)誤差:

(7)

5 驗(yàn)證比較

系統(tǒng)的操作界面與可編程模塊如圖4所示,在系統(tǒng)搭建完畢之后,在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證,參與驗(yàn)證的示波器包括:Tektronix TDS2024、Tektronix TDS3052、Tektronix DPO4054、Tektronix MSO4054、Agilent DSO7104A、LeCroy 204MXi-A。分別通過LTP、GPIB數(shù)據(jù)線將被檢數(shù)字示波器、FLUKE 9500B連接到工控機(jī)上,對(duì)每個(gè)示波器進(jìn)行一次完整的檢定。

圖4 數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)操作界面(上)與可編程模塊(下)

本次驗(yàn)證測(cè)試靈敏度檔位范圍為5mV/div～200mV/div,對(duì)單通道CH1的頻帶寬度、上升時(shí)間、直流增益、過沖幾個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試比對(duì),取20mV/div、50mV/div、100mV/div三個(gè)重要靈敏度檔的數(shù)據(jù)作為測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì),測(cè)量結(jié)果如表1所示。

通過表1的驗(yàn)證結(jié)果可知,由于頻段寬度與直流增益測(cè)試均是通過數(shù)字示波器自動(dòng)測(cè)量指令完成,因此本系統(tǒng)與人工測(cè)量結(jié)果差距不大,但在上升時(shí)間與過沖檢定方面,本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果優(yōu)于人工測(cè)量,驗(yàn)證了本系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)上的突破,且在總測(cè)試時(shí)間上比人工測(cè)量降低了一倍之多,極大地提高了數(shù)字示波器檢定效率。

6 結(jié)語

本文通過分析GJB7691-2012在老規(guī)程基礎(chǔ)上的改動(dòng),研制出了一種基于新規(guī)程的通用數(shù)字示波器檢定系統(tǒng),同時(shí),就數(shù)字示波器自動(dòng)檢定過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,在減少人工操作的基礎(chǔ)上提高了數(shù)字示波器測(cè)試精度。本數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用證明了其具有數(shù)據(jù)可靠、操作方便、功能齊全等優(yōu)點(diǎn),極大地提高了我國防科工4213計(jì)量站的工作效率,為后續(xù)的規(guī)范化建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果比對(duì)

[1] 梁志國,等.GJB7691-2012數(shù)字示波器檢定規(guī)程[M].北京:中國計(jì)量出版社,2012.

[2] 趙汝和,袁太文,李訊波.數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)與儀器儀表,2007,32(2):77-80.

[3] 李憲優(yōu),王玲,等.數(shù)字示波器自動(dòng)檢定方法與實(shí)現(xiàn)[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,24(2):66-72.

[4] 梁犇,李訓(xùn)誥,林江.基于MATLAB與LabVIEW的信號(hào)處理分析與研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2010,8(6):39-41,170.

[5] 周厚平,石堅(jiān).虛擬儀器不確定度問題探討[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2010,38(9):73-76.

[6] 秦凡,韋高.基于VISA庫及SCPI命令的儀器程控測(cè)量[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(11):118-120,123.

[7] 葉培德,等.JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012(12).

[8] 王怡蘋,許愛強(qiáng),汪定國.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試數(shù)據(jù)管理[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,33(3):137-140.

[9] 陸福敏,詹志強(qiáng).數(shù)字示波器掃描時(shí)間檢定方法的探討[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2004,增刊:527-530.

[10] 郭偉民,鄧曉莉,李莉,等.數(shù)字示波器檢定方法研究[J].信息與電子工程,2004,2(1):65-69.

[11] Howard B. Wilson, Louis H. Turcotte, David Halpern. Advanced Mathematics and Mechanics Applications Using MATLAB. Chapam & Hall/CRC,2003.

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,碩士,工程師,研究方向:儀器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、機(jī)械自動(dòng)化控制、低頻通信技術(shù)、計(jì)量科研等。馬耿,男,工程師,研究方向:儀器與測(cè)試技術(shù)、計(jì)量科研等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術(shù)、天線理論技術(shù)、儀器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、計(jì)量科研等。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.017