09-31-32自动校准技术

二、智能仪器的自动校准 1.零点漂移的自动校准 1.零点漂移的自动校准
零点漂移是造成零位误差的主要原因之一 是造成零位误差的主要原因之一. 1)零点漂移是造成零位误差的主要原因之一.即当输 入信号为零的时候，输出不为零. 入信号为零的时候，输出不为零.并且有时零点漂移值 随温度的变化而变化。(主要是器件稳定性引起的系 随温度的变化而变化。 ),可以通过选用稳定性高的输入器件 可以通过选用稳定性高的输入器件, 差),可以通过选用稳定性高的输入器件,从硬件上消除 这种影响,但成本较高,且温度变化较大的场合, 这种影响,但成本较高,且温度变化较大的场合,该方法 不能确保零点的稳定性.为此可利用零点自动校准技术. 不能确保零点的稳定性.为此可利用零点自动校准技术. 2)自动校准原理 2)自动校准原理 假设零点漂移电压为Vos,校准零点漂移电压Vos电路 假设零点漂移电压为V 校准零点漂移电压V 校准零点漂移电压 的原理如下图: 的原理如下图:
1.自动测量功能 1.自动测量功能 主要指智能仪器在测量之前或开始测量之时, 主要指智能仪器在测量之前或开始测量之时,对仪器 的自动校准技术.例如零点自动校准,放大倍率的自 的自动校准技术.例如零点自动校准, 校准, 量程的自动转换等功能. 校准, 量程的自动转换等功能. 2.自检功能 2.自检功能 仪器运行一段时间后,自动对仪器故障进行检测与诊断 仪器运行一段时间后, 的功能. 的功能. 1)检测 只判断有无故障. 检测: 1)检测:只判断有无故障. 2)诊断 判断故障出现的部位. 诊断: 2)诊断:判断故障出现的部位.
则A/D转换后消除零点漂移后的总的输出值为: A/D转换后消除零点漂移后的总的输出值为: 转换后消除零点漂移后的总的输出值为
N = KVi = N 2 KVOS 2
t2 t1 = N 2 N1 + ( N3 N1 ) t3 t1
从上面的表达式中可知: 从上面的表达式中可知: 1)只要零点漂移电压Vos是线性变化的 经过计算后的值, 只要零点漂移电压Vos是线性变化的, 1)只要零点漂移电压Vos是线性变化的, 经过计算后的值,已 经消去了零点漂移电压Vos2的影响，真正代表了Vi的值。 Vos2的影响 Vi的值 经消去了零点漂移电压Vos2的影响，真正代表了Vi的值。 2)如果测量时间间隔不太长 如果测量时间间隔不太长， 2)如果测量时间间隔不太长，完全可以近似认为零点漂移电 Vos是线性变化的 是线性变化的。 压Vos是线性变化的。
被校信号 可调标准信号源 被校仪器
以上二种方案的缺点: 以上二种方案的缺点: 1)需由专业人员手动操作 使用极为不便. 需由专业人员手动操作, 1)需由专业人员手动操作,使用极为不便. 2)需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器 需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器. 2)需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器.
Vi
S3
S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu V
Vref
驱动器百度文库
接口
②在微机控制下,切断开关S1、S2，闭合开关S3。将被测信 在微机控制下,切断开关S1、S2，闭合开关S3。 S1 S3 Vi和漂移电压 一同送入模拟量通道； 和漂移电压V 号Vi和漂移电压 os一同送入模拟量通道；这个时候得到的 一个A/D转换的输出值为： A/D转换的输出值为 一个A/D转换的输出值为：N1=K(Vi+Vos)； ； 最后一步，就是利用微机对上面两次测量数据进行计算： ③最后一步，就是利用微机对上面两次测量数据进行计算： N=N1-N0= K(Vi+Vos)–KVos=KVi 计算后的A/D转换的输出值N 是消去了零点漂移电压Vos的影 计算后的A/D转换的输出值N，是消去了零点漂移电压Vos的影 A/D转换的输出值 Vos 真正代表了输入电压Vi的输出值。 Vi的输出值 响，真正代表了输入电压Vi的输出值。
智能仪器与系统
第六章 33-34学时 33-34学时 智能仪器的自动测量和自检技术 （一）仪器的自动校准
一 .概 述 ：
测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技 术指标。 体现仪器优劣 体现仪器优劣) 术指标。(体现仪器优劣 对智能仪器引入自动测量和自检功能,可以极大提 对智能仪器引入自动测量和自检功能 可以极大提 高仪器的测量准确度。 高仪器的测量准确度。 自动测量功能与自检功能的概念
VOS 3 VOS1 VOS 2 = VOS1 + (t2 t1 ) t3 t1
等式二边同乘以K,整理后得: 等式二边同乘以K,整理后得: K,整理后得
KVOS 2 t 2 t1 t 2 t1 = KVOS1 + ( KVOS 3 KVOS 1 ) = N1 + ( N 3 N1 ) t3 t1 t3 t1
Vi
S3
S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu V
Vr
驱动器
接口
①合上开关S1，将输入通道与地接通,设这个时候的零点漂移电 合上开关S1，将输入通道与地接通,设这个时候的零点漂移电 S1 压为V 在微机启动A/D转换测量V 的同时， A/D转换测量 压为Vos1。在微机启动A/D转换测量Vos1的同时，启动仪器内部的 计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1 A/D转 t1， 计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1，A/D转 换的输出值为N1 N1。 换的输出值为N1。则： N1=KVos1； ②打开开关S1，合上开关S3，将被测量Vi接入,假设这时的零点漂 打开开关S1，合上开关S3，将被测量Vi接入, S1 S3 Vi接入 移电压为Vos2 Vos2和被测量Vi一起输入到模拟测量通道的输 Vos2。 和被测量Vi 移电压为Vos2。Vos2和被测量Vi一起输入到模拟测量通道的输 入端， A/D转换的输出值为N2，则有N2=K(Vi+Vos2) 转换的输出值为N2 N2=K(Vi+Vos2)； 入端，设A/D转换的输出值为N2，则有N2=K(Vi+Vos2)；同样在 启动这一次A/D转换的时候，要读取内部计时单元的时间t2 A/D转换的时候 t2。 启动这一次A/D转换的时候，要读取内部计时单元的时间t2。
我们分两种情况对Vos的校准进行讨论： 我们分两种情况对Vos的校准进行讨论： Vos的校准进行讨论
Vi S3 S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu V
Vr
驱动器
接口
1)当零点漂移电压不变化的时候： 1)当零点漂移电压不变化的时候： 当零点漂移电压不变化的时候 这个时候的校准分以下三个步骤： 这个时候的校准分以下三个步骤： 切断开关S2 S3，闭合开关S1 即在微机的控制下， S2、 S1。 ①切断开关S2、S3，闭合开关S1。即在微机的控制下，将 模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/D A/D转换的 模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/D转换的 输出值N 则有： 输出值 0；则有：N0=KVos； 该式中， 为总的放大系数. 该式中，K为总的放大系数.
3. 传统仪器有两种校正方案可供选择。 传统仪器有两种校正方案可供选择。 ①利用同类型的 准确度高的标准仪器来校准。 准确度高的标准仪器来校准。 校准的时候， 校准的时候，标准仪器和被校仪器同时测量由可 调信号源输出的一个信号， 调信号源输出的一个信号，标准仪器上的输出作 为真值， 为真值，它与被校仪器的测量值之间的差值即为 被校仪器的测量误差。 被校仪器的测量误差。由小到大的改变信号源的 输出，就可以获得在所有测量点上的校准值。 输出，就可以获得在所有测量点上的校准值。
模拟通道的内部自动校准原理图
Vi S3 S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu
Vr
驱动器
接口
在仪器内部的微机控制下， 在仪器内部的微机控制下，它们可以使模拟量测 量通道依次与地、仪器内部标准源Vr和被测量Vi 量通道依次与地、仪器内部标准源V 和被测量Vi 相接。 相接。 为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。 Vos为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。
标准仪器 可 调 信 号 源
被校仪器
②采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源 采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源 校准的时候，信号源的示值作为真值， 校准的时候，信号源的示值作为真值，它与被校 仪器示值的差值就是该被校仪器的测量误差。 仪器示值的差值就是该被校仪器的测量误差。从 小到大调节标准信号源的输出， 小到大调节标准信号源的输出，就可以得到被校 仪器在所有的测量点上的校准值。 仪器在所有的测量点上的校准值。
Vi
S3
S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu V
Vref
驱动器
接口
③打开开关S2,再一次合上开关S1，将模拟输入接地,假设这个时 打开开关S2,再一次合上开关S1，将模拟输入接地, S2,再一次合上开关S1 候的零点漂移电压为变化为Vos3, A/D转换的输出值为N3， 转换的输出值为N3 候的零点漂移电压为变化为Vos3, A/D转换的输出值为N3，则 N3=KVos3；当微机启动A/D的时候，同样要读取一个时间t3 A/D的时候 t3。 N3=KVos3；当微机启动A/D的时候，同样要读取一个时间t3。 设在时间t1 t3之间另点漂移Vos呈线性变化 t1- 之间另点漂移Vos呈线性变化， ④设在时间t1-t3之间另点漂移Vos呈线性变化，可以通过计算机 利用线性插值法来求零点漂移电压Vos2。 零点漂移电压Vos2 利用线性插值法来求零点漂移电压Vos2。
4.智能仪器的校准 4.智能仪器的校准 与传统仪器的校准是有区别的。 与传统仪器的校准是有区别的。智能仪器采用在微 机的命令下，自动进行校准。采用校准方程, 机的命令下，自动进行校准。采用校准方程,利用 软件实现自动校准. 软件实现自动校准. 它有如下的特点： 它有如下的特点： 1)无需手动 整个校准过程自动完成. 无需手动, 1)无需手动,整个校准过程自动完成. 2)根据校准源的取向分为外部校准和内部校准两种 2)根据校准源的取向分为外部校准和内部校准两种 方法。 方法。
增益K 2、增益K的内部自动校准
利用内附标准源V 利用内附标准源Vref可以对增益偏离额定值产 生的影响进行校准，它的校准仍然参看下图。 生的影响进行校准，它的校准仍然参看下图。
Vi S3 S1 S2 Vos 模拟 测量通道 cpu V
Vr
驱动器
接口
步骤如下：假设此时无零点漂移( =0),在计算机控制下 在计算机控制下, 步骤如下：假设此时无零点漂移(即VOS=0),在计算机控制下, S2闭合,S1,S3断开 即接通标准源Vr 闭合,S1,S3断开, Vr， ①将S2闭合,S1,S3断开,即接通标准源Vr，这个时候得到一 个接通标准源的A/D转换后的输出值N A/D转换后的输出值 存入RAM 个接通标准源的A/D转换后的输出值 r=KVr ，将Nr存入RAM 的确定单元中. 的确定单元中. S3闭合,S1,S2断开 即被测量Vi接入，得到一个A/D 闭合,S1,S2断开, Vi接入 A/D转 ②将S3闭合,S1,S2断开,即被测量Vi接入，得到一个A/D转 换后的输出值N1=KVi 换后的输出值 仪器内部CPU对测量数据进行以下计算: CPU对测量数据进行以下计算 ③仪器内部CPU对测量数据进行以下计算: N=N1/Nr=(KVi)/(KVr) =Vi/Vr 整理上式得: 整理上式得:
NOTE： NOTE： 1)在这两次测量过程中 我们是假定Vos和总的倍率系数K 在这两次测量过程中， Vos和总的倍率系数 1)在这两次测量过程中，我们是假定Vos和总的倍率系数K是 保持不变的。 保持不变的。 2)为了消去Vos，需进行两次测量，用了双倍的时间， 为了消去Vos 2)为了消去Vos，需进行两次测量，用了双倍的时间，对 测量速度的影响比较大。 测量速度的影响比较大。 2)当零点漂移电压Vos变化时： 2)当零点漂移电压Vos变化时： 当零点漂移电压Vos变化时 如果在上面的两次测量之间，Vos发生了变化 发生了变化， 如果在上面的两次测量之间，Vos发生了变化，上述方法 就不再适用；这个时候，就必须对Vos进行一个插值处理。 就不再适用；这个时候，就必须对Vos进行一个插值处理。 Vos进行一个插值处理 假设Vos是线性变化的，对它的校准步骤如下： Vos是线性变化的 假设Vos是线性变化的，对它的校准步骤如下：