基于虚拟仪器技术的示波器校准仪设计

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　检定与规程　

基于虚拟仪器技术的示波器校准仪设计

方雪梅1　张晓博2　陈耀明1　种兰祥2

(1信息产业部电子区域计量站,西安710068;2西北大学电子科学系统,西安710069)

摘　要　文章介绍了一个基于虚拟仪器技术的示波器校准仪的设计与研发。示波器校准仪成为计算机和传统仪器的有机组合,使用虚拟仪器技术,计算机控制各信号产生单元输出各种校准用信号,并用软件实现了示波器的自动化检定/校准。实际应用表明该仪器满足示波器的手动或自动检定/校准工作的要求。

关键词　虚拟仪器;示波器校准仪;自动检定/校准

0　前言

设计的示波器校准仪采用虚拟仪器技术,通过

计算机控制测量系统的信号发生电路单元,实现了检定/校准示波器所需的各种信号的产生和输出,是一台能够完成示波器检定/校准功能的计算机仪器系统。并且,为该校准仪编制了符合IEEE48812标准的程控指令集和自动检定/校准软件,能够进行示波器的自动检定校准。

虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)是指在通用计算机上加入必要的模块化功能硬件,如进行信号测量用的数据采集卡或输出信号用的信号发生电路,在计算机屏幕上用图形界面模拟仪器面板,用程序控制信号的采集、分析、显示、存储或输出等来实现真实仪器的功能。在本文设计的示波器校准仪系统中,用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些部件,通过一组软件和硬件,形成了既有一般示波器校准仪的输出各种校准信号等基本功能,又有它所不具备的如自动检定/校准示波器等特殊功能的新型仪器。

图1　示波器标准仪硬件结构图

　　仪器硬件主要由控制模块、信号产生及输出模

块和I/O接口模块三大部分组成。

控制模块是虚拟仪器软件工作的计算机硬件资源平台,采用小型嵌入式单板计算机设计。基本配置为PIll660MHzCPU,128MB内存,PCI系统总线。

信号产生及输出模块产生形成检定/校准示波器所需的四种标准信号,包括:稳幅正弦产生单元、时标产生单元、精密直流电压产生单元和校幅方波产生单元,各单元运用DDS(直接数字合成)技术,以51单片机控制数模混合电路产生所需信号:稳幅正弦信号、直流电压信号、时标信号、校幅方波信号,工作原理如图2所示:

1　示波器校准仪硬件结构

校准仪硬件采用模块化设计,按照功能分解为若干标准模块,并确定各模块之间的数据和控制等接口信号,在实现各部分的具体功能和实验验证后,进行系统集成和整体测试。硬件结构如图1所示。　

　　32001年国防军工技术基础计划(计量部分),项目编号:J121999A036

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　检定与规程　

图2　直接数字合成频率源原理图

　　快沿驱动电路利用时标的触发信号,由隧道二极管的转换时间决定脉冲的上升时间。

51单片机还负责完成和PCI系统总线的连接,实现控制模块对各信号产生模块的控制。为了正确的输出这些信号,系统设计了专用的输出转换电路,各信号产生单元的信号经输出转换电路后输出信号。输出转换电路的功能包括:1)转换和驱动电路:继电器输出高电压隔离,保证驱动电路的线性指标。2)补偿电路:用来减小驻波和差损。3)同轴转换。

I/O接口模块实现示波器校准仪这台虚拟仪器

个功能分别由两套软件实现,运行在示波器校准仪预先安装的WindowsXP操作系统之上,211　仪器功能软件

通过控制各信号产生及输出模块中的单片机,使示波器校准仪准确地输出各种校准信号。在人机交互方面,软件提供两种手动控制方法,用户除了通过示波器校准仪前面板的按键进行操作这种传统方式,软件还提供了运行在Windows系统上的虚拟仪器界面,还可以通过鼠标/键盘在软件界面上实现仪器的手工操作。仪器功能软件的流程如图3所示。示波器校准仪的工作界面如图4所示。

和其他计算机、可程控测量仪器或显示、打印输出设备的连接功能。基本I/O包括:9寸液晶显示器、按键式仪器前面板、鼠标、键盘和标准打印机接口。用于互连的I/O接口包括:3路RS-232接口、2路USB接口和1路GPIB接口。通过RS-232或GPIB接口,校准仪可作为主控设备或被控设备在

软件的控制下完成示波器的自动检定/校准工作。

设计并实现的示波器校准仪信号输出功能的主要技术指标:1)精密直流电压:1MΩ负载,电压范围

μV);50Ω±lmV～±200V,准确度±(01025%+20

负载,电压范围±1mV～±5V,准确度±(01025%

μV)。2)稳幅正弦:频率范围10kHz～+20

1050MHz,准确度土12×10-6,频率分辨率011Hz,输出电平50mV～3V(50Ω,峰-峰值),平坦度±015dB,电平分辨率1mV。此单元的输出频率准确度是时标单元准确度的基本保证。3)时标产生:周

期范围1ns～10s,准确度±1×10-6。4)校幅方波:1MΩ负载,输出范围±1mV～±200V,准确度±(01025%+20μV);50Ω负载,输出范围±1mV～±

μV)。5)快沿脉冲:频5V,准确度±(01025%+20

率范围10kHz～200kHz,上升时间<150ps。

2　示波器校准仪软件设计

校准仪的软件实现两大功能:(1)仪器功能,控制信号产生及输出模块实现校准仪的各种信号的输

出。并可通过程控指令集,实现示波器校准仪的可程控使用。(2)自动检定/校准示波器的功能。这两

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图3　仪器功能软件的程序流程图

计量技术20051No11　检定与规程　

图4　示波器校准仪的显示界面

212　自动检定/校准示波器软件

首先,要进行仪器的自动化检定/校准工作必须

实现仪器的可程控。自动化检定/校准是仪器检定/校准工作的发展趋势,而且,电子测量仪器也是自动测试系统的重要组成部分,这都要求研制的仪器具有可程控功能。由于采用了虚拟仪器技术,设计的示波器校准仪是计算机和传统仪器的有机组合,因此通过编写相应的接口应答信号控制软件,并使软件运行在仪器内部的通用计算机平台上,就实现了示波器校准仪的可程控功能,设计的GPIB接口控制符合IEEE48812标准规定的程控指令集。在示波器校准仪作为被控仪器的自动检定/校准系统中,用户使用主控计算机向示波器校准仪的GPIB接口发送程控指令,就可实现对该仪器的程控操作。实际上,这台示波器校准仪本身就具有通用微型计算机的全部功能,在组建只需要一台主控计算机的自动检定/校准系统时,使用示波器校准仪作为系统的主控设备更为方便。

其次,自动化检定/校准必需在软件的控制下实现。因此,根据示波器的检定规程、校准规范和具体型号的性能验证手册,开发了示波器自动检定/校准软件系统,其基本设计思想是用户通过编辑测试流程,软件按照测试流程向仪器发送程控命令并读取测量结果数据,进行自动检定/校准工作,最后输出检定证书或校准报告。示波器的自动检定/校准软件流程如图5所示:

图5　示波器的自动检定/校准软件流程图

信息产业部科学技术司组织的技术鉴定,它的大部

分技术指标达到或超过国外同类产品的水平。经一年的试用考核,系统运行正常,技术指标稳定,完全满足示波器检定/校准工作的要求。

参考文献

[1]杨乐平.自动化测试与虚拟仪器技术.国防科技大学出版社[2]李宝安,李行善.自动测试系统软件的发展及关键技术.测控技

3　结束语

这台采用虚拟仪器技术设计的示波器校准仪,充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能,代表了测量仪器的发展趋势,并已在2004年10月通过

计量技术20051No11术,2003年第22卷第1期

[3]周绍磊,周正.一种自动测试系统软件平台的设计与实现.计算

机测量与控制,2003111(7)

[4]国家计量技术规范-数字存储示波器(JJF1057—1998).国家质

量技术监督局颁布

[5]IEEEStd48812-1992,IEEEStandardCodes,Formats,Proto2

cols,andCommonCommandsforUsewithIEEEStd48811-1987,IEEEStandardDigitalInterfaceforProgrammablelnstru2

mentation,InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,NewYork,NY,1992

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