脉冲信号自动检定与校准系统设计

摘要：介绍了一种基于GPIB总线的脉冲信号自动检定系统的设计方案。本方案通过GPIB总线接口将所有测试仪器与PC机连成一体，以实现对脉冲信号的全自动检定，从而大幅度地提高脉冲信号检定／校准系统的检定精度和检定效率。
关键词：自动检定系统；GPIB；脉冲信号；校准

0 引言
    随着电子科学技术的发展，脉冲信号类仪器(如脉冲信号发生器、示波器校准仪等)已成为电子技术工作者不可缺少的重要工具之一，长期以来。国内对脉冲信号仪器进行检定一直是通过手工操作完成的。通常，对脉冲信号仪器检定／校准需进行十几个项目，而且需要重复多次操作工作标准仪器和被校准的脉冲信号仪器，同时反复记录和计算结果，最后才能打印证书。检定／校准过程不仅劳动强度大，工作效率低，而且检定的数据也不易管理。同时，人工检测往往受操作者个人习惯和视差等因素的影响，测试精度较低，尤其是长时间的重复操作难免出错，也给计量工作带来了安全隐患。针对这些问题，本文详细介绍了一种基于GPIB总线的脉冲信号自动检测与校准系统平台的设计方法。利用该平台能够准确快速地测量参数，直观地显示测试结果，自动存储测试数据，从而使检定校准工作变得简单、方便，因而具有广阔的应用前景。

1 系统总体设计
    本系统采用计算机测控理论和网络技术，并采用Visual Basic高级语言、VISA I／O函数库及Access数据库来解决常用接口(GPIB、RS23 2、TCP／IP、USB)的兼容以及不同测量标准、不同被测仪器兼容性设计等关键技术问题，从而建立一个脉冲信号自动检定／校准软件平台。
    本系统以计算机为中心，通过GPIB数据采集器与标准仪器和被检定／校准仪器进行连接，以控制标准仪器输出设定的标准信号，同时读取被检定／校准仪器的测量值，最后通过相关数据库保存检定／校准结果。检定／校准测试完成后，可将检定／校准数据从数据库中读出，然后以检定／校准证书或原始记录的形式打印输出，从而完成自动化检定／校准，其系统原理框图如图1所示。其中，GPIB数据采集器采用Agilent公司的82357B GPIB／USB数据采集卡。

    用户利用该平台可以不需编程，而是通过数据库文本编辑界面来快速实现脉冲信号类测试仪器的自动检定／校准系统开发，其相关测试流程可自动编制，同时，脉冲信号类被测仪器均可自动测量，整套系统的数据可实现自动分析、计算与自动管理。
1．1 主要功能
    当测量标准可程控时，该系统可实现对任意可程控的脉冲信号源、示波器校准源、多功能校准源等脉冲参数信号类仪器进行自动检定／校准；同时也可实现对任意不可程控的脉冲信号源、示波器校准源、多功能校准源等脉冲参数信号类仪器的半自动检定／校准。
    另外，用户也可以自行设计检定／校准测试项目、检定／校准测试点、输出形式以及证书格式等。
1．2 工作原理
    本系统的脉冲信号参数有±DC电压、方波电压、时标、脉冲幅度、脉冲频率、沿参数、延迟时间、脉冲宽度、脉冲周期和脉宽、延迟晃动、正弦信号平坦度以及谐波失真等。
    计算机通过GPIB总线发送控制命令给脉冲信号自动测试系统以完成测试过程。现以测量±DC电压为例，首先由计算机发送测试命令给数字多用表3458A，再根据脉冲信号的显示改变控制命令，同时改变输出信号，然后重复此过程，直到脉冲信号的显示参数满足要求为止。如测量脉冲频率、脉冲周期等参数，则需要发送控制命令到计数器53131A；而要测量正弦信号平坦度等参数，则需要用到工作标准8651A功率计。
其次就是计算测量误差。由计算机发送读取命令给各项工作标准仪器，相应工作标准仪器将脉冲波形参数信号满足技术指标要求的数据(称
作实际值或返回值)回传给计算机，然后根据测量值、返回值及相应的技术指标来计算测量误差。

2 系统软件设计
    组建一个基于IEEE 488总线的测试系统是自动检定系统运行的核心，而系统软件设计是实现自动检定的重要环节之一。自动校准测试系统控制软件开发语言可使用Visual Basic 6．0，数据库则可采用Access类型数据库，并使用VISA I／O函数库编写通信功能软件，以实现计算机和仪器的通信。整个测控软件严格遵循自顶向下(TopDown)、模块化的设计思想，程序和结构清晰易懂，也增强了系统的可维护性，便于升级。系统软件模块框图如图2所示。

    本系统是一个与标准测量仪器及被检定／校准仪器无关的、可对脉冲信号参数进行自动检定／校准的测试软件平台，该平台能自动适应不同厂家、不同型号、不同接口仪器的自动检定／校准需要。因此，由检定流程编辑模块、流程解释执行模块、程控指令测试模块、数据库管理模块、仪器接口模块和输出模块组成的系统软件模块结构可以保证系统设计目标的实现，从而实现系统功能。
    由于测控软件主界面采用图形化的人机交互界面，因此，使用起来十分方便。主程序的界面分为示波器参数设置区、数据库操作区、检定校准工作区等四部分。整个软件的全部功能主要依靠示波器参数设置区中的命令来进行操作。
    要使检定／校准系统程序能控制所有可程控的仪器，就必须找出测试系统中的仪器资源并建立会话(Session)。根据VISA的定义，会话是应用程序和仪器之间的通讯路径(Communication Channel)，每个会话都可由一个数据类型是长整形数的唯一逻辑标识符表示。为了解决在自动检定／校准过程中由接口、多台仪器组成的系统里每个仪器的程控问题，可在程序中定义一个全局级的数组，并把建立的每个会话保存在数组中，这样，使用数组里相应的会话就能对打开的每个仪器进行程序控制。本测试系统中的仪器会话显示界面如图3所示。

    检定／校准工作区是整个软件操作过程中的显示区域，其操作界面如图4所示。利用VB的书签控件来建立编辑界面可以节省屏幕空间，以使程序界面简洁明了，方便用户使用。数据库操作区存储的是示波器和校准环境的具体信息，包括书编号、仪器型号、仪器编号、检定日期、检定员等，检定人员检定／校准每一台仪器都要记录这些信息，最后打印在证书里。这样可大大提高检定效率，增加检定功能，提高检定准确度，同时也可以为频谱分析仪、信号发生器、数字多用表等综合数字仪器的自动检定提供参考，因而具有一定的现实意义。

    该平台为自动检定／校准的程控指令提供了一个实验验证的手段，以达到随时扩充、替换测量标准，增加被检定／校准仪器的目的。该功能主要基于VISA I／O库进行设计，实际是一个独立的指令测试软件，单独使用时通常命名为“可程控仪器助手”，是一个完整的测量仪器程控指令调试工具，也是本系统实现其功能的核心。

3 测试结果分析
    根据检定／校准流程中每个测量点的技术要求，本系统也可以自动判别测量结果是否符合要求。如果满足技术指标，则该测试点的数据将予以保存，测试流程自动转入下一个测试；如果测量结果超出要求范围，则自动重测一次，如还不符合要求，则等待用户干预是否“重复”测量、“退出”或“确认”继续下面的测量。此外，还可以根据测量结果和使用的测量标准自动计算测量的不确定度。
    本系统配有完整的检定／校准证书输出功能，一旦检定／校准结束，系统将自动搜索“辅助数据路径”设置的用户数据库，并提示是否将检定／校准结果存入用户数据管理系统以及是否打印检定／校准证书。本实验的测量结果如图5所示。

4 结束语
    通过本文所介绍的自动检定／校准系统可以检定多种型号的脉冲信号仪器，为相关脉冲参数仪器的检定／校准提供一种全新的方法。经过对本系统的软硬件进行设计和实验调试，结果表明，该系统可提高脉冲信号类仪器的检定效率和检定精度，满足实际测试和一致性标校要求，具有广阔的应用前景。因此，此测试系统的成功开发，为开发虚拟仪器提供了一种借鉴方法，并在测试系统向网络化、模块化和面向用户发展方向迈出了一大步。