智能精密數字多用表自動(dòng)校準技術(shù)剖析

智能精密數字多用表自動(dòng)校準技術(shù)剖析

智能精密數字多用表軟件功能完善，其中央控制單元采用微處理器來(lái)控制完成測量、自動(dòng)校準、自動(dòng)補償、計算等功能。在自動(dòng)校準過(guò)程中，對智能數字多用表的每個(gè)功能及每一功能的所有量程，經(jīng)過(guò)測量和計算得到的一系列誤差修正常數，都存儲在RAM中。每次實(shí)際測量時(shí)，自動(dòng)提取這些常數進(jìn)行修正計算，以確保儀器的測量精度，該項技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
　　● “不揭蓋”校準，不影響熱平衡，確保精度及穩定度。
　　● 性能顯著(zhù)提高，對標準跟蹤工作非常有用。
　　● 便于使用，自動(dòng)校準過(guò)程可通過(guò)按鍵或IEEE-488命令啟動(dòng)，也是自動(dòng)化測試系統的最佳設備。
　　數字多用表的精度已成為儀器質(zhì)量的的關(guān)鍵。自動(dòng)校準功能可以保證儀器在已經(jīng)進(jìn)入校準環(huán)境條件以后，在確保儀器內部熱平衡條件下，僅僅通過(guò)儀器面板的鍵盤(pán)操作(不允許儀器開(kāi)蓋)完成儀器本身的所有功能，對任意量程進(jìn)行輸入偏置電流Ib、線(xiàn)性、零點(diǎn)偏移、高頻交流(ACHF)等項進(jìn)行自動(dòng)校準。

數字多用表自動(dòng)校準技術(shù)剖析
　　當數字多用表后面板上的校準鑰匙處于校準模式時(shí)，其前面板標志“紅字”鍵盤(pán)即可執行校準功能。本文以英國Datron公司的1071型數字多用表為例進(jìn)行剖析。
　　1．輸入偏置電流的自動(dòng)校準
　　輸入放大器偏置電流造成的誤差如圖1所示。對于高精度的數字多用表Ib應小于50pA，溫度系數應小于1pA/℃，才能保證儀器的高輸入阻抗、低輸入偏置電流和低漂移性能，否則會(huì )給測量帶來(lái)誤差，為消除該誤差，1071型數字多用表設計了輸入偏置電流的自動(dòng)補償和校準電路，如圖2所示，在儀器輸入高端和低端連接一個(gè)帶有屏蔽的10MΩ電阻盒，輸入偏置電流Ib在該電阻上產(chǎn)生電壓降，經(jīng)A/D轉換后儲存于非易失性校準存儲器內，作為輸入偏置電流的修正值。在正常測量時(shí)，微處理器根據修正值選出適當的數字量到D/A轉換器，經(jīng)輸入偏置電流補償電路產(chǎn)生補償電流Ib`，抵消Ib，使儀器輸入偏置電流小于50pA。
　　2．線(xiàn)性L(fǎng)in自動(dòng)校準
　　A/D轉換器在靠近零的區域都存在非線(xiàn)性，自動(dòng)校準的任務(wù)就是使之線(xiàn)性化，為此必須首先找到非線(xiàn)性發(fā)生在哪一點(diǎn)，再確定兩個(gè)極性下的截距a、b數值各為多少，如圖3所示。實(shí)現這一校準必須讓多用表能自動(dòng)搜索，這就需要在輸入端外接一電阻，如圖4所示，以便通過(guò)調整偏流改變電壓實(shí)現這種搜索。
　　線(xiàn)性校準開(kāi)始，壓下前面板的Lin校準鍵，此時(shí)，數字多用表進(jìn)入搜索模式，微處理器給出一個(gè)數字量D1，通過(guò)D/A轉換為Ib1，U1=（Ib1－Ib）RL，設此點(diǎn)在P1，得到相應數字輸出為-U01，然后改變到P2，得到一個(gè)-U02輸出，只要數字多用表的讀數極性不發(fā)生變化，就可沿原方向搜索下去，直到輸入為P0`點(diǎn)，此時(shí)讀數為+Uop，極性發(fā)生變化。
　　為了確定極性究竟在何處發(fā)生變化，仍然要改變輸入裝置，這樣，總可找到一點(diǎn)P0，在這一點(diǎn)上依次記下16個(gè)讀數，先不管其值大小，只注意極性，如果16個(gè)讀數中有8個(gè)讀數為正，8個(gè)讀數為負，則P0這個(gè)非線(xiàn)性轉折點(diǎn)就找到了。接著(zhù)將8個(gè)正讀數予以平均得到截距a，將8個(gè)負讀數平均得到截距b，分別將a、b值存入校準存儲器。在正常測量時(shí)，如果讀數為正(Du)，就提取a，線(xiàn)性化后的正確讀數應為：DR=Du－a (Du>0，a>0)
如讀數為負，就提取b，線(xiàn)性校準以后的正確讀數應為：DR=Du－b (Du>0，b>0)
這種線(xiàn)性校準適用于直流測量的各種功能和量程。
　　3．零點(diǎn)偏移自動(dòng)枝淮
　　數字多用表經(jīng)過(guò)線(xiàn)性校準后，其輸入/輸出特性如圖5所示，即當輸入為零時(shí)，輸出不等于零。為此在各個(gè)功能的不同量程上要分別進(jìn)行零校準。將校準源零輸出接到多用表的輸入端，按下前面板的“Zero”校準鍵，此時(shí)多用表將選定功能的某一量程上的零點(diǎn)漂移測出并存入校準存儲器，正常測量時(shí)，只要從存儲器中提取此參數，并從讀數中減去就得到了修正。
要特別注意的是，在使用校準源進(jìn)行零點(diǎn)偏移校準前，一般應分別執行正零點(diǎn)和負零點(diǎn)偏移的校準，并同時(shí)存儲于校準存儲器中。
　　4．增益自動(dòng)校準
　　數字多用表經(jīng)過(guò)零和線(xiàn)性校準后，其輸入/輸出特性可能如圖6所示，如在直流電壓擋的10V量程上，輸入為10V，輸出可能是9.999135V，為此，必須在不同功能的不同量程上分別進(jìn)行增益校準，使之在滿(mǎn)刻度范圍內都達到規定的指標。
　　對于直流電壓測量來(lái)說(shuō)，必須在正、負兩個(gè)極性下分別進(jìn)行增益校準，而交流增益校準通常是在較低頻率下(500Hz)進(jìn)行。
　　在增益校準操作以前，應將精度相宜并經(jīng)法定傳遞的外部參考標準接入數字多用表，令滿(mǎn)量程精確值為1，外部標準接入后，數字多用表實(shí)際測量為U1，只要乘以一個(gè)稍大于1的系數就可得到修正，因此，1=U1·(1+df) (1)
　　但通常一次校準并不能得到理想的修正系數(l+df)，第一次校準以后仍會(huì )存在誤差，令第一次校準系數為(1+d)，因此有：
　　1-e=U1·(1+d) (2)
　　e為第一次校準后距精確值的誤差。
　　將(2)式代入(1)式得：1-e=(1+d)/(1+df)
　　即，e=1-(1+d)/(1+df)=(df-d)/(1+df)
　　由于df1，所以1+df≈1
　　e≈df-d (3)
　　df≈d+e (4)
　　(4)式表明新的修正系數等于前次校正系數與前次修正后的誤差之和。
　　5．交流高頻校準ACHF
　　交流電壓測量的每一量程都要進(jìn)行交流高頻校準，交流轉換器的增益在低端是由電阻網(wǎng)絡(luò )決定的，但在高頻端離散電容的影響起很大的作用。如圖7所示。
　　為此，在電阻網(wǎng)絡(luò )上并聯(lián)電容，以補償任何不平衡和離散電容產(chǎn)生的增益變化，如圖8所示，頻率變化時(shí)，總是維持R1C1=R2C2，可以得到平坦響應。
　　通過(guò)以上介紹可以看出，自動(dòng)校準技術(shù)大大提高了校準速度和儀器的準確度，但還有以下幾點(diǎn)有待改進(jìn)。
　　1．儀器內基準的精度必須參照外部基準予以調定，而儀器基本量程的精度不會(huì )超過(guò)內基準的精度。
　　2．由于對電路硬件(內基準除外)的長(cháng)期穩定度要求不嚴，所以每隔一定時(shí)間(如24小時(shí)、一個(gè)月等)就要校準一次。
　　3．對100V、1000V高量程校準，由于輸入衰減器是在施加低電壓情況下校準的，自身發(fā)熱的影響在內部傳遞校準的條件下是無(wú)法考慮進(jìn)去的，因此，這種校準還是有一定誤差的。

結束語(yǔ)
　　目前，數字多用表普遍使用可編程儀器通用接口標準IEEE-488，能夠由儀器外部的程序控制指令來(lái)改變自身的工作狀態(tài)，在很短的時(shí)間內就可完成一臺多用表全功能及全量程的檢測與校準，還可以進(jìn)行持續和重復的檢測及校準，通過(guò)系統進(jìn)行分析，以確保測量結果的可靠性與準確性。因此，自校準儀器在各個(gè)領(lǐng)域將獲得日益廣泛的應用。