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。

　　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,2004(2):10211,19.

　　[ 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,2004,41(9):23225,62.