智能精密數(shù)字多用表自動校準(zhǔn)技術(shù)剖析

智能精密數(shù)字多用表自動校準(zhǔn)技術(shù)剖析

智能精密數(shù)字多用表軟件功能完善，其中央控制單元采用微處理器來控制完成測量、自動校準(zhǔn)、自動補(bǔ)償、計算等功能。在自動校準(zhǔn)過程中，對智能數(shù)字多用表的每個功能及每一功能的所有量程，經(jīng)過測量和計算得到的一系列誤差修正常數(shù)，都存儲在RAM中。每次實際測量時，自動提取這些常數(shù)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。
　　● “不揭蓋”校準(zhǔn)，不影響熱平衡，確保精度及穩(wěn)定度。
　　● 性能顯著提高，對標(biāo)準(zhǔn)跟蹤工作非常有用。
　　● 便于使用，自動校準(zhǔn)過程可通過按鍵或IEEE-488命令啟動，也是自動化測試系統(tǒng)的最佳設(shè)備。
　　數(shù)字多用表的精度已成為儀器質(zhì)量的的關(guān)鍵。自動校準(zhǔn)功能可以保證儀器在已經(jīng)進(jìn)入校準(zhǔn)環(huán)境條件以后，在確保儀器內(nèi)部熱平衡條件下，僅僅通過儀器面板的鍵盤操作(不允許儀器開蓋)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、線性、零點偏移、高頻交流(ACHF)等項進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

數(shù)字多用表自動校準(zhǔn)技術(shù)剖析
　　當(dāng)數(shù)字多用表后面板上的校準(zhǔn)鑰匙處于校準(zhǔn)模式時，其前面板標(biāo)志“紅字”鍵盤即可執(zhí)行校準(zhǔn)功能。本文以英國Datron公司的1071型數(shù)字多用表為例進(jìn)行剖析。
　　1．輸入偏置電流的自動校準(zhǔn)
　　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(shù)字多用表Ib應(yīng)小于50pA，溫度系數(shù)應(yīng)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，否則會給測量帶來誤差，為消除該誤差，1071型數(shù)字多用表設(shè)計了輸入偏置電流的自動補(bǔ)償和校準(zhǔn)電路，如圖2所示，在儀器輸入高端和低端連接一個帶有屏蔽的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(zhuǎn)換后儲存于非易失性校準(zhǔn)存儲器內(nèi)，作為輸入偏置電流的修正值。在正常測量時，微處理器根據(jù)修正值選出適當(dāng)?shù)臄?shù)字量到D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)輸入偏置電流補(bǔ)償電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流Ib`，抵消Ib，使儀器輸入偏置電流小于50pA。
　　2．線性Lin自動校準(zhǔn)
　　A/D轉(zhuǎn)換器在靠近零的區(qū)域都存在非線性，自動校準(zhǔn)的任務(wù)就是使之線性化，為此必須首先找到非線性發(fā)生在哪一點，再確定兩個極性下的截距a、b數(shù)值各為多少，如圖3所示。實現(xiàn)這一校準(zhǔn)必須讓多用表能自動搜索，這就需要在輸入端外接一電阻，如圖4所示，以便通過調(diào)整偏流改變電壓實現(xiàn)這種搜索。
　　線性校準(zhǔn)開始，壓下前面板的Lin校準(zhǔn)鍵，此時，數(shù)字多用表進(jìn)入搜索模式，微處理器給出一個數(shù)字量D1，通過D/A轉(zhuǎn)換為Ib1，U1=（Ib1－Ib）RL，設(shè)此點在P1，得到相應(yīng)數(shù)字輸出為-U01，然后改變到P2，得到一個-U02輸出，只要數(shù)字多用表的讀數(shù)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，此時讀數(shù)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P0，在這一點上依次記下16個讀數(shù)，先不管其值大小，只注意極性，如果16個讀數(shù)中有8個讀數(shù)為正，8個讀數(shù)為負(fù)，則P0這個非線性轉(zhuǎn)折點就找到了。接著將8個正讀數(shù)予以平均得到截距a，將8個負(fù)讀數(shù)平均得到截距b，分別將a、b值存入校準(zhǔn)存儲器。在正常測量時，如果讀數(shù)為正(Du)，就提取a，線性化后的正確讀數(shù)應(yīng)為：DR=Du－a (Du>0，a>0)
如讀數(shù)為負(fù)，就提取b，線性校準(zhǔn)以后的正確讀數(shù)應(yīng)為：DR=Du－b (Du>0，b>0)
這種線性校準(zhǔn)適用于直流測量的各種功能和量程。
　　3．零點偏移自動枝淮
　　數(shù)字多用表經(jīng)過線性校準(zhǔn)后，其輸入/輸出特性如圖5所示，即當(dāng)輸入為零時，輸出不等于零。為此在各個功能的不同量程上要分別進(jìn)行零校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)源零輸出接到多用表的輸入端，按下前面板的“Zero”校準(zhǔn)鍵，此時多用表將選定功能的某一量程上的零點漂移測出并存入校準(zhǔn)存儲器，正常測量時，只要從存儲器中提取此參數(shù)，并從讀數(shù)中減去就得到了修正。
要特別注意的是，在使用校準(zhǔn)源進(jìn)行零點偏移校準(zhǔn)前，一般應(yīng)分別執(zhí)行正零點和負(fù)零點偏移的校準(zhǔn)，并同時存儲于校準(zhǔn)存儲器中。
　　4．增益自動校準(zhǔn)
　　數(shù)字多用表經(jīng)過零和線性校準(zhǔn)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(zhǔn)，使之在滿刻度范圍內(nèi)都達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。
　　對于直流電壓測量來說，必須在正、負(fù)兩個極性下分別進(jìn)行增益校準(zhǔn)，而交流增益校準(zhǔn)通常是在較低頻率下(500Hz)進(jìn)行。
　　在增益校準(zhǔn)操作以前，應(yīng)將精度相宜并經(jīng)法定傳遞的外部參考標(biāo)準(zhǔn)接入數(shù)字多用表，令滿量程精確值為1，外部標(biāo)準(zhǔn)接入后，數(shù)字多用表實際測量為U1，只要乘以一個稍大于1的系數(shù)就可得到修正，因此，1=U1·(1+df) (1)
　　但通常一次校準(zhǔn)并不能得到理想的修正系數(shù)(l+df)，第一次校準(zhǔn)以后仍會存在誤差，令第一次校準(zhǔn)系數(shù)為(1+d)，因此有：
　　1-e=U1·(1+d) (2)
　　e為第一次校準(zhǔn)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(shù)等于前次校正系數(shù)與前次修正后的誤差之和。
　　5．交流高頻校準(zhǔn)ACHF
　　交流電壓測量的每一量程都要進(jìn)行交流高頻校準(zhǔn)，交流轉(zhuǎn)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(bǔ)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，總是維持R1C1=R2C2，可以得到平坦響應(yīng)。
　　通過以上介紹可以看出，自動校準(zhǔn)技術(shù)大大提高了校準(zhǔn)速度和儀器的準(zhǔn)確度，但還有以下幾點有待改進(jìn)。
　　1．儀器內(nèi)基準(zhǔn)的精度必須參照外部基準(zhǔn)予以調(diào)定，而儀器基本量程的精度不會超過內(nèi)基準(zhǔn)的精度。
　　2．由于對電路硬件(內(nèi)基準(zhǔn)除外)的長期穩(wěn)定度要求不嚴(yán)，所以每隔一定時間(如24小時、一個月等)就要校準(zhǔn)一次。
　　3．對100V、1000V高量程校準(zhǔn)，由于輸入衰減器是在施加低電壓情況下校準(zhǔn)的，自身發(fā)熱的影響在內(nèi)部傳遞校準(zhǔn)的條件下是無法考慮進(jìn)去的，因此，這種校準(zhǔn)還是有一定誤差的。

結(jié)束語
　　目前，數(shù)字多用表普遍使用可編程儀器通用接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE-488，能夠由儀器外部的程序控制指令來改變自身的工作狀態(tài)，在很短的時間內(nèi)就可完成一臺多用表全功能及全量程的檢測與校準(zhǔn)，還可以進(jìn)行持續(xù)和重復(fù)的檢測及校準(zhǔn)，通過系統(tǒng)進(jìn)行分析，以確保測量結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。因此，自校準(zhǔn)儀器在各個領(lǐng)域?qū)@得日益廣泛的應(yīng)用。