宋佳玲，李 建，高巖晶，郭偉民

基于PXIe總線的數(shù)字示波器現(xiàn)場(chǎng)高效校準(zhǔn)系統(tǒng)

宋佳玲，李 建，高巖晶，郭偉民

（中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，綿陽(yáng)，621000）

為提高數(shù)字示波器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)效率，提出一種可并行校準(zhǔn)5臺(tái)1GHz及以下帶寬的數(shù)字示波器的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。按照GJB7691-2012對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求，每個(gè)數(shù)字示波器校準(zhǔn)通道均需具備直流電壓、時(shí)標(biāo)、穩(wěn)幅正弦波和快沿脈沖4種基本信號(hào)輸出功能和電阻測(cè)量功能。4種信號(hào)輸出功能及電阻測(cè)量功能的模塊設(shè)計(jì)、與被校數(shù)字示波器之間的通路設(shè)計(jì)以及并行校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)高效校準(zhǔn)的重點(diǎn)。對(duì)校準(zhǔn)裝置的軟硬件總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)裝置的主要功能模塊實(shí)現(xiàn)方法以及并行校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，設(shè)計(jì)并行按需校準(zhǔn)、并行校準(zhǔn)和串行校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明此方法可快速、高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的并行校準(zhǔn)。

數(shù)字示波器；并行校準(zhǔn)；開關(guān)拓?fù)?；現(xiàn)場(chǎng)高效

0 引 言

數(shù)字示波器是應(yīng)用最廣泛的時(shí)域測(cè)量?jī)x器[1]。在一些大型物理診斷平臺(tái)或大型綜合測(cè)試控制臺(tái)中，示波器的4個(gè)采集通道通常不能滿足測(cè)試需求，于是將數(shù)十甚至上百臺(tái)數(shù)字示波器通過局域網(wǎng)組成數(shù)字示波器陣列測(cè)試系統(tǒng)，完成對(duì)大型試驗(yàn)裝置眾多電參數(shù)和物理參數(shù)的直接或間接的多通道準(zhǔn)確測(cè)量，為物理診斷測(cè)試提供可靠、必要的依據(jù)。

目前的計(jì)量裝置基本可以完成一定帶寬范圍內(nèi)（20 GHz）數(shù)字示波器的全項(xiàng)目計(jì)量，但均采用單一逐臺(tái)逐通道方式，即串行、單路的工作模式。此類計(jì)量裝置可以由多臺(tái)具備不同信號(hào)輸出功能的分立設(shè)備組成，也可以由單臺(tái)或少量集成度較高的綜合多功能校準(zhǔn)設(shè)備組成。從標(biāo)準(zhǔn)配置成本、使用便捷性和計(jì)量發(fā)展趨勢(shì)看，后者是首選。國(guó)外主要產(chǎn)品有美國(guó)Fluke公司的5820A、9500B等多功能校準(zhǔn)儀、美國(guó)泰克公司早期的TM504、CG5011等插件式或多功能集成校準(zhǔn)設(shè)備。中國(guó)主要產(chǎn)品有江蘇南鋒公司的NF4608A、NF4609A、國(guó)營(yíng)南華廠的SO3、SO6、NH4602（可程控）、中國(guó)計(jì)量院華電公司研制的POC-2（可程控）多功能校準(zhǔn)儀以及中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司研制的BM1302-1示波器校準(zhǔn)儀等裝置。

目前，美國(guó)Fluke公司生產(chǎn)的9500B多功能校準(zhǔn)儀是指標(biāo)最高、功能最全的多功能校準(zhǔn)設(shè)備，集成度高，單臺(tái)設(shè)備配接不同的有源探頭可方便地完成 6.4 GHz帶寬以下各類型數(shù)字示波器的計(jì)量，是國(guó)內(nèi)外各計(jì)量機(jī)構(gòu)在脈沖計(jì)量方面的主流配置[2]，但是9500B受限于其內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)，5個(gè)信號(hào)輸出通道的主功能信號(hào)無(wú)法并行同步輸出，計(jì)量過程僅能采取單通道逐一計(jì)量的方式進(jìn)行，已經(jīng)成為進(jìn)一步提高多通道數(shù)據(jù)采集類設(shè)備計(jì)量效率的瓶頸問題，F(xiàn)luke 9500B的計(jì)量保障能力和效率已不能滿足成百上千采集通道的數(shù)字示波器陣列的需求。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器陣列并行高效校準(zhǔn)，本文提出一種基于PXIe總線的數(shù)字示波器陣列并行校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)方案，該校準(zhǔn)裝置可對(duì)1 GHz及以下最多5臺(tái)數(shù)字示波器同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且具有體積小、質(zhì)量輕、集成度高、方便外出攜帶和現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)、計(jì)量保障針對(duì)性強(qiáng)和計(jì)量效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 軟硬件總體設(shè)計(jì)方案

在一些大型示波器陣列測(cè)試系統(tǒng)中，需要現(xiàn)場(chǎng)開展原位校準(zhǔn)的數(shù)字示波器數(shù)量多達(dá)100臺(tái)，考慮數(shù)字示波器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置設(shè)備體積、質(zhì)量、功耗以及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度等因素，對(duì)5個(gè)數(shù)字示波器共25個(gè)校準(zhǔn)通道，包括20個(gè)測(cè)量通道和5個(gè)外觸發(fā)通道的并行校準(zhǔn)裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

為完成數(shù)字示波器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，依據(jù)規(guī)程要求[3]，主要的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括直流增益和直流偏置、上升時(shí)間和時(shí)基、頻帶寬度和觸發(fā)靈敏度、輸入電阻等[4-5]。從實(shí)現(xiàn)上述校準(zhǔn)項(xiàng)目的功能看，為滿足校準(zhǔn)裝置有限信號(hào)及通路適應(yīng)數(shù)字示波器陣列大量通道不同特性的要求，整個(gè)硬件系統(tǒng)應(yīng)包含直流電壓、時(shí)標(biāo)、穩(wěn)幅正弦波和快沿脈沖等4種基本信號(hào)的輸出功能以及電阻測(cè)量功能，因此數(shù)字示波器校準(zhǔn)裝置必須具備直流電源模塊、快沿脈沖信號(hào)模塊和時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器模塊、穩(wěn)幅正弦信號(hào)發(fā)生器模塊信號(hào)輸出功能和數(shù)字多用表模塊。

在各模塊集成方面，由于PXIe系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、高性能和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛?？赏ㄟ^采用PXIe總線集成板卡的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，通過集成板卡的不同功能方便地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能板卡的性能提升、功能和通道擴(kuò)展以及儀器的系列化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

本裝置采用PXIe總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以裝置小型化、集成化為目標(biāo)，進(jìn)行硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為保證信號(hào)的并行輸出功能，將零槽控制器、5個(gè)直流電源模塊、數(shù)字多用表模塊和程控開關(guān)陣列模塊集成至PXI、PXIe混合背板，考慮各模塊的獨(dú)立和可維護(hù)性，將快沿模塊、穩(wěn)幅正弦波模塊通過串口與主機(jī)進(jìn)行通信，最終將所有模塊集成到一個(gè)帶有12英寸液晶顯示屏的定制機(jī)箱中。示波器陣列標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 示波器陣列校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意

在數(shù)字示波器校準(zhǔn)過程中，直流增益和直流偏置項(xiàng)目校準(zhǔn)點(diǎn)多、耗時(shí)長(zhǎng)，為提升效率采用5路并行校準(zhǔn)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)通過5路直流源模塊實(shí)現(xiàn)。外觸發(fā)功能需要2路并行的穩(wěn)幅正弦波信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，硬件設(shè)計(jì)為2路并行輸出的穩(wěn)幅正弦信號(hào)發(fā)生器模塊，同時(shí)兼顧裝置體積和質(zhì)量。其余功能模塊均為單路設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖1所示硬件系統(tǒng)框架，軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、各硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)字示波器陣列自動(dòng)校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)4個(gè)部分。各硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樾?zhǔn)系統(tǒng)軟件調(diào)用和儀器設(shè)置功能提供軟件接口，并通過PXI總線協(xié)議完成硬件資源的分配和控制，數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)采用LabVIEW語(yǔ)言環(huán)境開發(fā)，采用并行校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器陣列的高效校準(zhǔn)。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 功能模塊指標(biāo)設(shè)計(jì)

從實(shí)現(xiàn)上述功能的硬件裝置看，示波器校準(zhǔn)裝置必須具備直流電源模塊、快沿脈沖信號(hào)模塊、時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器模塊、穩(wěn)幅正弦信號(hào)發(fā)生器模塊和數(shù)字多用表模塊測(cè)量輸入電阻功能[6-7]。由于市面上已具有模塊化的直流電源模塊[8]、時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器模塊和數(shù)字多用表模塊產(chǎn)品，可直接在裝置中進(jìn)行集成。本文主要針對(duì)穩(wěn)幅正弦波信號(hào)發(fā)生器模塊和快沿脈沖信號(hào)輸出模塊進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，為滿足1 GHz以下數(shù)字示波器校準(zhǔn)功能，各模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 數(shù)字示波器陣列校準(zhǔn)裝置功能模塊技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Technical specifications of functional modules of digital oscilloscope array calibration device

模塊功能技術(shù)指標(biāo)校準(zhǔn)項(xiàng)目 直流信號(hào)輸出1MΩ負(fù)載時(shí)±（3mV～100V），50Ω負(fù)載時(shí)±（3mV～5V），最大允許誤差：±（0.2%+50μV）直流增益、直流偏置 正弦波信號(hào)輸出頻率1MHz～1GHz，5mV～5V，50Ω輸出，平坦度優(yōu)于±0.3dB頻帶寬度 快沿脈沖信號(hào)輸出上升時(shí)間80～150ps，幅度6mV～3V觸發(fā)靈敏度 時(shí)標(biāo)信號(hào)輸出周期1ms/10ms/100ms，最大允許誤差：±1×10-6時(shí)基 電阻測(cè)量電阻：40Ω～2MΩ；最大允許誤差：±0.15%輸入電阻

在快沿脈沖信號(hào)輸出模塊中，主要解決在納秒級(jí)矩形脈沖基礎(chǔ)上的脈沖整形技術(shù)，從而達(dá)到150 ps脈沖上升時(shí)間的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。脈沖整形原理如圖2所示，兩個(gè)隔離電路阻止直流偏置電流進(jìn)入輸入和輸出端。由于階躍恢復(fù)二極管（Step Recovery Diode，SRD）具有大的存儲(chǔ)時(shí)間和極小的暫態(tài)時(shí)間，根據(jù)其特性，只有當(dāng)SRD的阻抗開始增加時(shí)，輸出信號(hào)才開始上升，SRD截止時(shí)，輸出信號(hào)便開始跟蹤輸入信號(hào)。因此，輸出信號(hào)的上升時(shí)間減小后的值約等于SRD的暫態(tài)時(shí)間，從而達(dá)到整形目的。

圖2 脈沖整形原理

在正弦波信號(hào)輸出模塊中，主要解決穩(wěn)幅正弦信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)。該技術(shù)的難點(diǎn)在于正弦信號(hào)的穩(wěn)幅控制，在1 MHz～1 GHz內(nèi)達(dá)到±0.5 dB的平坦度設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過穩(wěn)幅電路控制和校準(zhǔn)修正相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。綜合考慮模塊的功能和特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)功能模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以分為4個(gè)部分，由控制單元、時(shí)基、頻率合成單元和幅度控制單元組成，如圖3所示。

圖3 穩(wěn)幅正弦信號(hào)發(fā)生器模塊原理

2.2 并行輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮示波器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置體積、質(zhì)量、功耗以及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度等綜合因素，為實(shí)現(xiàn)5個(gè)數(shù)字示波器的并行校準(zhǔn)功能，在計(jì)量裝置內(nèi)除了對(duì)信號(hào)源組進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需對(duì)信號(hào)源組與被校數(shù)字示波器組之間的路由關(guān)系進(jìn)行研究，即矩陣互聯(lián)開關(guān)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)源組，包括直流信號(hào)、快沿脈沖信號(hào)、時(shí)標(biāo)信號(hào)、穩(wěn)幅正弦波信號(hào)以及數(shù)表測(cè)量功能，通過矩陣開關(guān)組均能與所有被校示波器通道進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自由切換。

經(jīng)充分調(diào)研，選用5張射頻開關(guān)卡實(shí)現(xiàn)上述功能。通過PXIe總線接口對(duì)射頻開關(guān)卡進(jìn)行控制，每張卡上有3個(gè)射頻多路復(fù)用開關(guān)，采用“分-總-分”3層結(jié)構(gòu)形式：第1層將信號(hào)通過分路開關(guān)分成5路；第2層將不同種信號(hào)匯總至一個(gè)開關(guān)；第3層將匯總后的信號(hào)分配至數(shù)字示波器的不同通道。標(biāo)準(zhǔn)裝置信號(hào)源組與示波器組的路由結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)字示波器并行校準(zhǔn)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意

3 并行校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

并行校準(zhǔn)是指校準(zhǔn)系統(tǒng)能同時(shí)完成多項(xiàng)校準(zhǔn)任務(wù)的一種技術(shù)[9]，包括一次同時(shí)對(duì)多個(gè)被測(cè)對(duì)象（Multiple Objects under Test，UUT）進(jìn)行校準(zhǔn)，或者同時(shí)運(yùn)行一個(gè)UUT的多項(xiàng)校準(zhǔn)任務(wù)，本文特指前者。區(qū)別于常規(guī)的串行校準(zhǔn)，即在同一時(shí)刻只能對(duì)一個(gè)UUT進(jìn)行校準(zhǔn)，不同的UUT需要依次完成校準(zhǔn)。以示波器為例，并行校準(zhǔn)時(shí)各被校準(zhǔn)示波器同設(shè)置、同采集、同讀數(shù)。

圖5為數(shù)字示波器并行校準(zhǔn)軟件流程。校準(zhǔn)裝置在使用時(shí)與被校數(shù)字示波器連接，直流電壓、快沿、穩(wěn)幅正弦波、時(shí)標(biāo)信號(hào)和電阻測(cè)量功能由對(duì)應(yīng)的模塊發(fā)出后，經(jīng)過機(jī)箱內(nèi)射頻開關(guān)路由，通過線纜與被校準(zhǔn)數(shù)字示波器連接，在控制器上運(yùn)行數(shù)字示波器并行校準(zhǔn)軟件，各項(xiàng)目校準(zhǔn)點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)按需校準(zhǔn)過程。由于環(huán)境溫度對(duì)直流小電壓信號(hào)的影響比較明顯，因此在每次校準(zhǔn)前，均需要對(duì)直流電壓信號(hào)完成自校準(zhǔn)保證信號(hào)指標(biāo)滿足要求。開關(guān)和線纜對(duì)穩(wěn)幅正弦波和電阻測(cè)量功能的影響相對(duì)固定，可采用預(yù)修正的方式，在每個(gè)溯源周期內(nèi)采用固定的修正值即可。

圖5 數(shù)字示波器并行校準(zhǔn)軟件流程

數(shù)字示波器陣列并行校準(zhǔn)的具體步驟為：

a）步驟1：校準(zhǔn)裝置與被校數(shù)字示波器預(yù)熱。打開校準(zhǔn)裝置和被校準(zhǔn)數(shù)字示波器開關(guān)，控制預(yù)熱時(shí)間，對(duì)裝置進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱完成后，數(shù)字示波器進(jìn)行自檢。

b）步驟2：直流電壓信號(hào)自校準(zhǔn)。預(yù)熱完成后，依次將校準(zhǔn)裝置的5路示波器輸出端的通道1連接至機(jī)箱背板上自校準(zhǔn)端口，運(yùn)行自校準(zhǔn)程序，完成標(biāo)準(zhǔn)裝置直流電壓信號(hào)自校準(zhǔn)，補(bǔ)償環(huán)境對(duì)直流小電壓信號(hào)的影響，保證線纜輸出終端的直流電壓信號(hào)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

c）步驟3：校準(zhǔn)裝置與被校數(shù)字示波器連接。在數(shù)字示波器陣列中選擇待校準(zhǔn)數(shù)字示波器，最多選擇 5臺(tái)，將數(shù)字示波器與校準(zhǔn)裝置信號(hào)輸出端進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接。

d）步驟4：校準(zhǔn)裝置對(duì)數(shù)字示波器校準(zhǔn)。直流電壓信號(hào)自校準(zhǔn)完成后，按照選擇的待校準(zhǔn)數(shù)字示波器，在示波器陣列校準(zhǔn)軟件上進(jìn)行設(shè)置，讀取每臺(tái)示波器的IP地址，確保校準(zhǔn)裝置與被校數(shù)字示波器通信正常。運(yùn)行數(shù)字示波器陣列校準(zhǔn)軟件，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)文件獲得每臺(tái)數(shù)字示波器的校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)，依次按照校準(zhǔn)項(xiàng)目和對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)5臺(tái)數(shù)字示波器進(jìn)行校準(zhǔn)。

e）步驟5：校準(zhǔn)完成后，保存校準(zhǔn)結(jié)果，生成相應(yīng)的原始記錄與校準(zhǔn)證書。關(guān)閉校準(zhǔn)裝置或繼續(xù)對(duì)數(shù)字示波器陣列其他數(shù)字示波器進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 校準(zhǔn)裝置功能及指標(biāo)驗(yàn)證

4.1 校準(zhǔn)裝置功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)字示波器陣列校準(zhǔn)裝置功能，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)選取5臺(tái)具有代表性的DPO4054B作為驗(yàn)證對(duì)象。DPO4054B是典型的4通道500 MHz數(shù)字示波器，且同時(shí)具備高低阻功能，具備一定的代表性。選擇數(shù)字示波器陣列一區(qū)的5個(gè)DPO4054B數(shù)字示波器單元為校準(zhǔn)對(duì)象執(zhí)行并行校準(zhǔn)，和以往的順序串行校準(zhǔn)進(jìn)行用時(shí)比較。設(shè)計(jì)如下2組試驗(yàn)：

a）第1組，并行、全項(xiàng)目校準(zhǔn)和串行、全項(xiàng)目校準(zhǔn)對(duì)比試驗(yàn)，以考核并行校準(zhǔn)的效率提升；

b）第2組，并行、按需校準(zhǔn)和串行、全項(xiàng)目校準(zhǔn)對(duì)比試驗(yàn)，以考核并行、按需校準(zhǔn)的綜合效率提升。

試驗(yàn)結(jié)果顯示2組試驗(yàn)的計(jì)量結(jié)果均符合被校數(shù)字示波器單元的技術(shù)指標(biāo)要求，校準(zhǔn)用時(shí)見表2，表2中計(jì)時(shí)為校準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)間，不含校準(zhǔn)前準(zhǔn)備工作，如預(yù)熱和數(shù)字示波器自校準(zhǔn)時(shí)間。

表2 五單元并行和串行校準(zhǔn)用時(shí)統(tǒng)計(jì)表

Tab.2 Five unit parallel and serial calibration time statistics

校準(zhǔn)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目并行按需校準(zhǔn)并行全項(xiàng)目校準(zhǔn)串行全項(xiàng)目校準(zhǔn) 直流增益校準(zhǔn)校準(zhǔn)用時(shí)/min1.719.618.5×5 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)8×5100×5100×5 直流偏置校準(zhǔn)校準(zhǔn)用時(shí)/min2.913.713.3×5 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)24×5120×5120×5 頻帶寬度校準(zhǔn)校準(zhǔn)用時(shí)/min5.023.67.8×5 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)8×540×540×5 觸發(fā)靈敏度校準(zhǔn)校準(zhǔn)用時(shí)/min4.79.03.0×5 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)8×520×520×5 其他校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)用時(shí)/min13.543.38.6×5 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)19×561×561×5 總用時(shí)/min27.8109.251.2×5 總校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)69×5341×5341×5

如表2所示，對(duì)比并行、全項(xiàng)目校準(zhǔn)和串行、全項(xiàng)目校準(zhǔn)用時(shí)可以看出，以每5臺(tái)數(shù)字示波器為一組對(duì)象，并行校準(zhǔn)效率為串行校準(zhǔn)的2.3倍。對(duì)數(shù)字示波器陣列一區(qū)的DPO4054B數(shù)字示波器而言，按需校準(zhǔn)比全項(xiàng)目校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)減少了80%，結(jié)合并行校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，綜合校準(zhǔn)效率是原來的8.1倍，極大地縮短了校準(zhǔn)用時(shí)。

4.2 校準(zhǔn)裝置指標(biāo)驗(yàn)證

采用檢定（校準(zhǔn)）法驗(yàn)證校準(zhǔn)裝置的主要指標(biāo)，經(jīng)試驗(yàn)，對(duì)該裝置4種基本信號(hào)輸出和電阻測(cè)量功能均進(jìn)行了有效溯源，確認(rèn)合格。穩(wěn)幅正弦波信號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6中，紅色虛線為誤差限，各通道實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果均在誤差限范圍內(nèi)，穩(wěn)幅正弦波信號(hào)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

快沿信號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7中，紅色虛線為誤差限，各通道實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果均在誤差限范圍內(nèi)，快沿信號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

目前實(shí)驗(yàn)室已建立數(shù)字示波器陣列現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置工作標(biāo)準(zhǔn)，裝置如圖8所示，經(jīng)重復(fù)性、穩(wěn)定性考核驗(yàn)證后，該裝置可滿足現(xiàn)場(chǎng)1 GHz以下數(shù)字示波器陣列并行校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖6 校準(zhǔn)裝置穩(wěn)幅正弦波信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果

圖7 校準(zhǔn)裝置快沿信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 示波器陣列校準(zhǔn)裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)數(shù)字示波器快速高效的校準(zhǔn)需求，對(duì)數(shù)字示波器并行校準(zhǔn)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。首先，研究示波器陣列校準(zhǔn)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用PXIe總線實(shí)現(xiàn)控制器、直流板卡以及數(shù)表卡之間的通信，為保障模塊獨(dú)立性采用串口實(shí)現(xiàn)控制器與快沿模塊、穩(wěn)幅正弦波模塊的通信；其次，研究不同功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式，為保證5種信號(hào)與被校示波器之間的連接，研究了開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，采用分-總-分三級(jí)開關(guān)實(shí)現(xiàn)了5種信號(hào)與被校示波器各通道之間的自由切換；最后，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)校準(zhǔn)裝置的功能和性能進(jìn)行了考核，經(jīng)驗(yàn)證，通過開關(guān)切換，5個(gè)示波器共25個(gè)通道均可與不同的功能模塊連接，實(shí)現(xiàn)了5個(gè)示波器的并行校準(zhǔn)功能，并行按需校準(zhǔn)比串行校準(zhǔn)效率提升了8.1倍，本裝置可完成數(shù)字示波器陣列的現(xiàn)場(chǎng)高效校準(zhǔn)。

[1] 孫續(xù). 電子示波器在挑戰(zhàn)中發(fā)展[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù), 2009(3): 1-4.

SUN Xu. The development of electronic oscilloscope in the challenge[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2009(3): 1-4.

[2] 馮慧娟, 匡志鋒. 9500B示波器校準(zhǔn)儀的功能與應(yīng)用[J]. 硅谷, 2014, 7(24): 78, 232.

FENG Huijuan, KUANG Zhifeng. Function and application of 9500B oscilloscope calibrator[J]. Silicon Valley, 2014, 7(24): 78, 232.

[3] 鄧曉莉, 郭偉民, 馬紅梅, 等. GJB 7691-2012數(shù)字示波器檢定規(guī)程[S]. 北京: 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2012.

DENG Xiaoli, GUO Weimin, MA Hongmei, et al. GJB 7691-2012 Verification regulation of digital oscilloscopes[S]. Beijing: Military Standard Publishing and Distribution Department of General Equipment Department, 2012.

[4] 盧燕濤, 郁月華, 朱江淼, 等. 基于GPIB的數(shù)字存儲(chǔ)示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2007(S1): 93-95, 107.

LU Yantao, YU Yuehua, ZHU Jiangmiao, et al. Design and realization for digital store oscilloscope automatic cali brati on system based on GPIB interface[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2007(S1): 93-95, 107.

[5] 劉文剛, 常志方, 韓保, 等. 基于LabVIEW的數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研究[J]. 通信世界, 2015(5): 97-98.

LIU Wengang, CHANG Zhifang, HAN Bao, et al. Research on automatic calibration system of digital oscilloscope based on LabVIEW[J]. Telecom World, 2015(5): 97-98.

[6] 方雪梅, 張曉博, 陳耀明, 等. 基于虛擬儀器技術(shù)的示波器校準(zhǔn)儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù), 2005(11): 37-39.

FANG Xuemei, ZHANG Xiaobo, CHEN Yaoming, et al. Design of oscilloscope calibrator based on virtual instrument technology[J]. Metrology Science and Technology, 2005(11): 37-39.

[7] 梁志國(guó), 孟曉風(fēng). 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的校準(zhǔn)思想及技術(shù)述評(píng)[J]. 測(cè)控技術(shù), 2007(26): 71-75.

LIANG Zhiguo, MENG Xiaofeng. Review on both the thought and technique of the calibration of digital storage ascilloscopes[J]. Measurement & Control Technology, 2007(26): 71-75.

[8] 范旭東, 張偉. 數(shù)字示波器直流增益計(jì)量檢定探討[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2021, 48(4): 94-95, 97.

FAN Xudong, ZHANG Wei. Disscussion on DC Gain measurement of digital oscilloscope[J]. Metrology & Measurement Technique, 2021, 48(4): 94-95, 97.

[9] 孔德仁, 何云峰, 狄長(zhǎng)安. 儀表總線技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2005.

KONG Deren, HE Yunfeng, DI Changan. Instrument bus technology and application[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2005.

Digital Oscilloscope Parallel Calibration System based on PXIe Bus

SONG Jialing, LI Jian, GAO Yanjing, GUO Weimin

(Centre of Metrology and Measurement, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621000)

In order to improve the calibration efficiency of digital oscilloscopes, a software and hardware implementation method for parallel calibration of five digital oscilloscopes below 1GHz is proposed. According to the requirements of GJB 7691-2012 "verification regulation of digital oscilloscopes", each calibration channel of oscilloscopes should have four basic signal output functions: DC, time scale, amplitude stabilized sine wave, fast edge pulse and resistance measurements function. The module design of the four signal output functions and resistance measurement functions, the path design with the calibrated digital oscilloscope and the parallel calibration software design are the key points to realize the on-site efficient calibration. Firstly, the overall software and hardware scheme of the calibration device is designed. Secondly, the implementation methods of the main functional modules of the device and the design methods of the parallel calibration software are described in detail. Finally, through the design of parallel on-demand calibration, parallel calibration and serial calibration experiments, the experimental results show that this method can quickly and efficiently realize the parallel calibration of digital oscilloscopes.

digital oscilloscopes; parallel calibration; switch topology; field efficiency calibration

2097-1974(2023)02-0131-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230226

2022-08-22；

2023-03-16

TP311.52

A

宋佳玲（1990-），女，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)量測(cè)試技術(shù)。

李 建（1994-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)量測(cè)試技術(shù)。

高巖晶（1983-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)量測(cè)試技術(shù)。

郭偉民（1970-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)量測(cè)試技術(shù)。