智能仪器的自动校准系统
智能仪器的自动校准系统
1　引　　言
　　仪器在经过一段时间的使用之后,它的参数可能会发生偏离,用它量测的结果可信度将下降,因此需要定期进行校准。校准是在规定的各种环境条件下,用一个可参考的测量标准及其配套装置和工具,测出被测量设备的实际具体量值及其技术参数[1]。传统的手动校准方法费时费力,而目前大部分测试测量仪器都具有USB口,在对这些仪器进行校准时可以充分利用仪器和计算机的通信功能,利用计算机组成自动校准系统,可以
　　1　引　　言
　　仪器在经过一段时间的使用之后,它的参数可能会发生偏离,用它量测的结果可信度将下降,因此需要定期进行校准。校准是在规定的各种环境条件下,用一个可参考的测量标准及其配套装置和工具,测出被测量设备的实际具体量值及其技术参数[1]。传统的手动校准方法费时费力,而目前大部分测试测量仪器都具有USB口,在对这些仪器进行校准时可以充分利用仪器和计算机的通信功能,利用计算机组成自动校准系统,可以大大减轻人工劳动,而且在技术先进性和成本方面,基于虚拟仪器技术的校准系统成本较低、技术先进。
　　以示波器为例,示波器的校准一般采用非常昂贵的示波器校准仪。本方法利用一台已经检定的信号源,和被校示波器组成一个廉价的自动测试系统,用点频法得到示波器的幅频响应,利用希尔伯特变换恢复它的相位信息,由幅度和相位信息可以精确地重构示波器的冲激响应和阶跃响应,由阶跃响应可求出示波器的上升时间、过冲、振铃等时域参数,由此实现对带有USB口的示波器的全自动校准,并可以保存数据和自动打印校准证书。
　　本方法的关键是利用USB口组成自动测试系统,用点频法得到示波器的幅频响应,并利用希尔伯特变换恢复点频法丢失的相位信息,由幅度和相位信息重构示波器的冲激响应和阶跃响应[2]。
　　2　校准原理和系统构成
　　通过USB、GPIB接口等各类接口,不同厂家生产的各种不同的仪器设备可以很方便地与计算机一起组建成自动测试系统。以往要实现仪器与计算机之间的通信,用户必须要把大量时间和精力花费在熟悉各种仪器的编程上。近年来,虚拟仪器技术的迅猛发展,为自动测试系统提供了良好的开发平台和仪器驱动程序,使得组建一个自动测试系统变得相对简单和快捷[3]。　　对系统校准,常用的是扫频源法,优点是简单易行,并且很容易得到扫频信号源,缺点是得到的是被测系统的幅频响应而丢失了相位信息。如果这时假定各个频率分量具有零相位,变换到时域时将造成较大的误差。由于示波器的取样电路可以等效为一个多级RC放大电路,它可视作一个最小相位系统。因此它的对数幅度和相位满足离散Hilbert变换关系[4]。
　　需要说明的是,本文的Hilbert变换不能采用LabVIEW自带的Fast Hilbert Transform函数。利用LabVIEW自带的Fast Hilbert Transform函数,原信号和Fast Hilbert Transform信号得到的是解析信号,也就是仅仅有正频率部分的复信号,因此该函数的实现方法是对原信号作傅里叶变换,在频域得到Fast Hilbert Transform信号的傅里叶变换,再傅里叶反变换得到Fast Hilbert Transform信号。本校准方法的Hilbert变换利用原信号(示波器的对数幅度谱)和Hilbert变换后信号(相位谱)变换到时域后组成一个因果稳定实序列,因此需要对原信号做傅里叶反变换,得到相位谱的傅里叶反变换后,再做傅里叶变换得到系统的相位谱。以下是在MATLAB ScriptNode中用MATLAB实现的离散Hilbert变换。输入y是用点频法得到的示波器的幅频响应。　
　　图1是该自动校准系统,它由一台已经经过校准的信号源和被校示波器一起组成。
　　信号源用点频法输出等幅正弦波扫描信号。示波器的测量数据即为示波器对扫描信号的响应,也就是示波器的幅频响应。示波器的测量数据通过USB口送入计算机,用LabVIEW对幅频响应进行预处理(使其数据结构满足Hilbert变换的需要),取对数后进行Hilbert变换,得到倒谱的傅里叶变换,经过取指数和傅里叶反变换得到示波器的冲激响应。由冲激响应积分可得到阶跃响应。最后算出示波器的上升时间等参数。图2是校准系统的校准原理。
　3　校准实例
　　用本方法对某型号示波器的时域特性进行了校准。
　　该示波器的带宽为40 MHz,选择它的扫频范围为0~160 MHz,为了计算方便,共采集256个点(见图3)。
　　由于所选信号源没有通信接口,需要手动设置各个扫描频点,因此这里用了一个事件结构,频点设置完成后进行事件触发(图4(a))。在MATLAB Script　Node中完成对采集数据进行预处理、取对数、Hilbert　变换、取指数、傅里叶反变换和积分的过程(图4(b))。
　　由本方法得到的示波器的相频响应如图5c所示,得到的示波器的冲激响应如图5(a)所示,得到的阶跃响应如图5(b)所示,从阶跃响应可以算出其上升时间约为687 ps。
　　由本方法得到的示波器的相频响应如图5c所示,得到的示波器的冲激响应如图5(a)所示,得到的阶跃响应如图5(b)所示,从阶跃响应可以算出其上升时间约为687 ps。
　　4　结束语
　　目前示波器的校准主要采用非常昂贵的示波器综合校准仪,本文介绍的方法采用较为廉价易得的通用信号源,利用USB口组成自动校准系统,进行各项参数的测试检定。并且由于利用离散Hilbert变换恢复了丢失的相位信息,因此可以实现较精确地校准。本方法可以推广到带有串口或GPIB接口等的其他智能仪器。
　　参考文献
　　[ 1 ]　唐伟群.&计量确认&与&检定&的区别[J].工业计量,　2006(增刊1):2312233.
　　[ 2 ]　李梅,刘慧芳,沈海鸿,等.改进的扫频源校准法[J].中国仪器仪表,211,19.
　　[ 3 ]　雷勇.虚拟仪器设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005.
　　[ 4 ]　李梅,刘慧芳,沈海鸿.宽带系统校准的新方法[J].电测与仪表,):23225,62.
　　1　引　　言
　　仪器在经过一段时间的使用之后,它的参数可能会发生偏离,用它量测的结果可信度将下降,因此需要定期进行校准。校准是在规定的各种环境条件下,用一个可参考的测量标准及其配套装置和工具,测出被测量设备的实际具体量值及其技术参数[1]。传统的手动校准方法费时费力,而目前大部分测试测量仪器都具有USB口,在对这些仪器进行校准时可以充分利用仪器和计算机的通信功能,利用计算机组成自动校准系统,可以大大减轻人工劳动,而且在技术先进性和成本方面,基于虚拟仪器技术的校准系统成本较低、技术先进。
　　以示波器为例,示波器的校准一般采用非常昂贵的示波器校准仪。本方法利用一台已经检定的信号源,和被校示波器组成一个廉价的自动测试系统,用点频法得到示波器的幅频响应,利用希尔伯特变换恢复它的相位信息,由幅度和相位信息可以精确地重构示波器的冲激响应和阶跃响应,由阶跃响应可求出示波器的上升时间、过冲、振铃等时域参数,由此实现对带有USB口的示波器的全自动校准,并可以保存数据和自动打印校准证书。
　　本方法的关键是利用USB口组成自动测试系统,用点频法得到示波器的幅频响应,并利用希尔伯特变换恢复点频法丢失的相位信息,由幅度和相位信息重构示波器的冲激响应和阶跃响应[2]。
　　2　校准原理和系统构成
　　通过USB、GPIB接口等各类接口,不同厂家生产的各种不同的仪器设备可以很方便地与计算机一起组建成自动测试系统。以往要实现仪器与计算机之间的通信,用户必须要把大量时间和精力花费在熟悉各种仪器的编程上。近年来,虚拟仪器技术的迅猛发展,为自动测试系统提供了良好的开发平台和仪器驱动程序,使得组建一个自动测试系统变得相对简单和快捷[3]。　　对系统校准,常用的是扫频源法,优点是简单易行,并且很容易得到扫频信号源,缺点是得到的是被测系统的幅频响应而丢失了相位信息。如果这时假定各个频率分量具有零相位,变换到时域时将造成较大的误差。由于示波器的取样电路可以等效为一个多级RC放大电路,它可视作一个最小相位系统。因此它的对数幅度和相位满足离散Hilbert变换关系[4]。
　　需要说明的是,本文的Hilbert变换不能采用LabVIEW自带的Fast Hilbert Transform函数。利用LabVIEW自带的Fast Hilbert Transform函数,原信号和Fast Hilbert Transform信号得到的是解析信号,也就是仅仅有正频率部分的复信号,因此该函数的实现方法是对原信号作傅里叶变换,在频域得到Fast Hilbert Transform信号的傅里叶变换,再傅里叶反变换得到Fast Hilbert Transform信号。本校准方法的Hilbert变换利用原信号(示波器的对数幅度谱)和Hilbert变换后信号(相位谱)变换到时域后组成一个因果稳定实序列,因此需要对原信号做傅里叶反变换,得到相位谱的傅里叶反变换后,再做傅里叶变换得到系统的相位谱。以下是在MATLAB ScriptNode中用MATLAB实现的离散Hilbert变换。输入y是用点频法得到的示波器的幅频响应。　
　　图1是该自动校准系统,它由一台已经经过校准的信号源和被校示波器一起组成。
　　信号源用点频法输出等幅正弦波扫描信号。示波器的测量数据即为示波器对扫描信号的响应,也就是示波器的幅频响应。示波器的测量数据通过USB口送入计算机,用LabVIEW对幅频响应进行预处理(使其数据结构满足Hilbert变换的需要),取对数后进行Hilbert变换,得到倒谱的傅里叶变换,经过取指数和傅里叶反变换得到示波器的冲激响应。由冲激响应积分可得到阶跃响应。最后算出示波器的上升时间等参数。图2是校准系统的校准原理。
　3　校准实例
　　用本方法对某型号示波器的时域特性进行了校准。
　　该示波器的带宽为40 MHz,选择它的扫频范围为0~160 MHz,为了计算方便,共采集256个点(见图3)。
　　由于所选信号源没有通信接口,需要手动设置各个扫描频点,因此这里用了一个事件结构,频点设置完成后进行事件触发(图4(a))。在MATLAB Script　Node中完成对采集数据进行预处理、取对数、Hilbert　变换、取指数、傅里叶反变换和积分的过程(图4(b))。
　　由本方法得到的示波器的相频响应如图5c所示,得到的示波器的冲激响应如图5(a)所示,得到的阶跃响应如图5(b)所示,从阶跃响应可以算出其上升时间约为687 ps。
　　由本方法得到的示波器的相频响应如图5c所示,得到的示波器的冲激响应如图5(a)所示,得到的阶跃响应如图5(b)所示,从阶跃响应可以算出其上升时间约为687 ps。
　　4　结束语
　　目前示波器的校准主要采用非常昂贵的示波器综合校准仪,本文介绍的方法采用较为廉价易得的通用信号源,利用USB口组成自动校准系统,进行各项参数的测试检定。并且由于利用离散Hilbert变换恢复了丢失的相位信息,因此可以实现较精确地校准。本方法可以推广到带有串口或GPIB接口等的其他智能仪器。
　　参考文献
　　[ 1 ]　唐伟群.&计量确认&与&检定&的区别[J].工业计量,　2006(增刊1):2312233.
　　[ 2 ]　李梅,刘慧芳,沈海鸿,等.改进的扫频源校准法[J].中国仪器仪表,211,19.
　　[ 3 ]　雷勇.虚拟仪器设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2005.
　　[ 4 ]　李梅,刘慧芳,沈海鸿.宽带系统校准的新方法[J].电测与仪表,):23225,62.
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《 k海计量测试 》2003年30卷第一期
AcademicPapers
示波器 自动检定系统
(上海市计量测试技术研究院 200233)
摘【 要】示波器 自动检定系统是将微机技术与计量技术相结合，以提高示波器计量正确度、提高计量的工作效
率、减轻计量人员的工作强度、规范计量证书格式、减少人为误差为宗旨而组建的。这篇文章从系统的组建原理和
方法着手 ，详细介绍了利用GPIB技术组建 自动测试系统的方法、GPIB接 口卡的使用方法、可程控仪器的程控方
法、各部分软件的功能及利用软件修正综合信号发生器输出信号的不平度的方法。文中所涉及的测试方法、测试
项目、数据处理方法均符合JJG411—86(300MHz宽带示波器)国家计量检定规程中的有关要求。
【关键词】 自动测试系统；校准；示波器
校准仪依次自动输出检定示波器所需的信号(如 ：检定垂
示波器是一种最常用、最直观的，用于观察波形 、研究
直偏转系数时输出标准幅度信号，检定扫描时间系数时输
脉冲参数的仪器 ，适用于各行各业 ，因此，示波器的检定量
出时标信号，检定瞬态响应时输出快沿脉冲信号)，综合信
非常大。对示波器进行检定，一般是手工操作 ，需要 同时
号发生器输出检定示波器稳态频响和触发性能所需的稳
操作数台标准器，步骤相当复杂 ，要对被检示波器的十几
幅正弦波信号，频率计测出校准信号的频率。微机对全部
个项目参数进行重复测量、记录，要计算大量的数据，还要
测试数据作误差计算 ，判断出检定结果合格与否，最后以
打印证书，检定人员摆脱不了这些枯燥单调的工作 ，这与
中文方式打印出一份报告 。
当今飞速发展的科学技术非常不相协调 。于是 出现了这
系统的技术性能如下 ：
样一种情况 ，许多融合了现代科技的带有微处理器的可程
幅度准确度
优于0．5％
控标准器和示波器只能用手动的方法进行操作，这不能不
电压偏差分辨率
说是一种浪费，检定正确度的提高也受到一定的限制。现
时标准确度
优于0．01％
在 ，我们在示波器的检定 中引人 了微机，将计算机技术与
时标偏差分辨率
计量技术结合起来 ，组建 了一套示波器 自动检定系统，使
快前沿脉冲
检定工作进入 了一个全新时代 ，检定人员的工作效率提高
稳幅信号不平度
优于0．3(1B
了数倍，降低了劳动强度，摆脱了纸、笔、小计算器，使计量
50kHz--1000MHz
工作迈向了自动化。
3 综合信号发生器的频响修正
2 系统原理、组成框图及技术性能
国家颁布的示波器计量检定规程规定 ，检定示波器的
在对各种类型的宽带示波器进行计量检定时。所需
稳态频响必须用稳幅信号发生器 ，其 电压不平度要优于
的标准器主要有示波器校准仪 、稳 幅信号发生器、频率
0．3dB。本系统选用的FLUKE6060B综合信号发生器 ，电
计数器。随着微处理器的发
正在加载中，请稍后...||百姓网公众号微信扫码关注百姓网小程序微信扫扫立即体验扫码下载手机客户端免费抢油卡、红包、电影票您正在浏览信息，点击查看更多服务NSAT3000示波器自动计量校准测试软件价值& 1元10月25日 18:06 &...次浏览 &&服务范围：交易地点：志诚商务联系人：天宇纳米 软件联系：(西安)联系时，请一定说明在百姓网看到的，谢谢！见面最安全，发现问题请举报其他联系：测量仪器计量需求量大，人工计量费时费力，可靠性差。&&自动计量系统市场有大量空缺。主流软件竞争力有限。系统开发硬件需求高。天宇纳米软件NSAT3000可以解决这些问题：
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1、计量校准工程师
简单易学、轻松上手，计量校准效率提高5倍，摆脱枯燥的数据记录工作；
2、生产线管理者
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3、质量管理者
计量校准过程误差小，可靠性高，校准结束自动生成计量校准报表，完成质量体系控制；
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