智能精密數字多用表自動校準技術剖析

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控制完成測量、自動校準、自動補償、計算等功能。在自動校準過程中，對智能數字多用表的每個功能及每一功能的所有量程，經過測量和計算得到的一系列誤差修正常數，都存儲在RAM中。每次實際測量時，自動提取這些常數進行修正計算，以確保儀器的測量精度，該項技術具有以下特點。
　　● “不揭蓋”校準，不影響熱平衡，確保精度及穩定度。
　　● 性能顯著提高，對標準跟蹤工作非常有用。
　　● 便于使用，自動校準過程可通過按鍵或IEEE-488命令啟動，也是自動化測試系統的最佳設備。
　　數字多用表的精度已成為儀器質量的的關鍵。自動校準功能可以保證儀器在已經進入校準環境條件以后，在確保儀器內部熱平衡條件下，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，對任意量程進行輸入偏置電流Ib、線性、零點偏移、高頻交流(ACHF)等項進行自動校準。

數字多用表自動校準技術剖析
　　當數字多用表后面板上的校準鑰匙處于校準模式時，其前面板標志“紅字”鍵盤即可執行校準功能。本文以英國Datron公司的1071型數字多用表為例進行剖析。
　　1．輸入偏置電流的自動校準
　　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，否則會給測量帶來誤差，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帶有屏蔽的10MΩ電阻盒，輸入偏置電流Ib在該電阻上產生電壓降，經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，微處理器根據修正值選出適當的數字量到D/A轉換器，經輸入偏置電流補償電路產生補償電流Ib`，抵消Ib，使儀器輸入偏置電流小于50pA。
　　2．線性Lin自動校準
　　A/D轉換器在靠近零的區域都存在非線性，自動校準的任務就是使之線性化，為此必須首先找到非線性發生在哪一點，再確定兩個極性下的截距a、b數值各為多少，如圖3所示。實現這一校準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，以便通過調整偏流改變電壓實現這種搜索。
　　線性校準開始，壓下前面板的Lin校準鍵，此時，數字多用表進入搜索模式，微處理器給出一個數字量D1，通過D/A轉換為Ib1，U1=（Ib1－Ib）RL，設此點在P1，得到相應數字輸出為-U01，然后改變到P2，得到一個-U02輸出，只要數字多用表的讀數極性不發生變化，就可沿原方向搜索下去，直到輸入為P0`點，此時讀數為+Uop，極性發生變化。
　　為了確定極性究竟在何處發生變化，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，先不管其值大小，只注意極性，如果16個讀數中有8個讀數為正，8個讀數為負，則P0這個非線性轉折點就找到了。接著將8個正讀數予以平均得到截距a，將8個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，如果讀數為正(Du)，就提取a，線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，線性校準以后的正確讀數應為：DR=Du－b (Du>0，b>0)
這種線性校準適用于直流測量的各種功能和量程。
　　3．零點偏移自動枝淮
　　數字多用表經過線性校準后，其輸入/輸出特性如圖5所示，即當輸入為零時，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存儲器，正常測量時，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，在使用校準源進行零點偏移校準前，一般應分別執行正零點和負零點偏移的校準，并同時存儲于校準存儲器中。
　　4．增益自動校準
　　數字多用表經過零和線性校準后，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行增益校準，使之在滿刻度范圍內都達到規定的指標。
　　對于直流電壓測量來說，必須在正、負兩個極性下分別進行增益校準，而交流增益校準通常是在較低頻率下(500Hz)進行。
　　在增益校準操作以前，應將精度相宜并經法定傳遞的外部參考標準接入數字多用表，令滿量程精確值為1，外部標準接入后，數字多用表實際測量為U1，只要乘以一個稍大于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df<<1，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行交流高頻校準，交流轉換器的增益在低端是由電阻網絡決定的，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，在電阻網絡上并聯電容，以補償任何不平衡和離散電容產生的增益變化，如圖8所示，頻率變化時，總是維持R1C1=R2C2，可以得到平坦響應。
　　通過以上介紹可以看出，自動校準技術大大提高了校準速度和儀器的準確度，但還有以下幾點有待改進。
　　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超過內基準的精度。
　　2．由于對電路硬件(內基準除外)的長期穩定度要求不嚴，所以每隔一定時間(如24小時、一個月等)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，自身發熱的影響在內部傳遞校準的條件下是無法考慮進去的，因此，這種校準還是有一定誤差的。

結束語
　　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改變自身的工作狀態，在很短的時間內就可完成一臺多用表全功能及全量程的檢測與校準，還可以進行持續和重復的檢測及校準，通過系統進行分析，以確保測量結果的可靠性與準確性。因此，自校準儀器在各個領域將獲得日益廣泛的應用。