智能仪器 自动校准和自诊断技术 pu 版

N1=Nr-N0=KVr
N2 = Nx-N0 = KVi
所以：
N= N2/N1 = Vi/Vr
Vi
N
Vr
(N2/
N1) Vr
Vr
Nx Nr
N0 N0
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7-1-3 内部自动校准总结
Note： 1)每测量一个被测量要进行3次测量，测量时间增加二倍。 2)三次测量中，认为零点漂移电压Vos和倍率K是保持不变的。通常，在连 续的三次测量期间，测量时间短而测量速度很快时，可认为此条件满足。 3)内附标准源稳定性好，其准确数值为已知。
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7-1-1 零点漂移的自动校准
两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：
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。假设VOS是线性变化的，对它 的校准步骤如下： 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 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，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。
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7-1 智能仪器的自动校准
7-1-1 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.即当输入信号为零的时候， 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,该方法不能确保零点的稳定性。
第七章 自动校准和自诊断技术
7-1 自动校准（自动测量功能） 7-2 自诊断（自检功能）
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第七章 自动校准和自诊断技术
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)。
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。
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,对仪器的自动校准技术.例 如零点自动校准,放大倍率的自校准, 量程的自动转换等功能.
化。这时的校准步骤如下(假设VOS和K值是固定不变的)：
1) 程序控制输入通道接地,得到输出值N0，则N0=KVOS 2) 程序控制输入通道与标准源相接,得到输出值Nr，则：Nr=K(Vr+VOS) 3) 程序控制输入通道与输入信号相连,得到输出Nx，则：Nx=K(Vi+Vos)
4) 在微机控制下进行下列的运算：
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7-2-2 自检算法
一、 ROM或EPROM的检测
ROM 地址 ROM 中的内容
0
11010010
1
10011001
2
00111100
3
11110011
4
10000001
5
00011110
6
10101010
7
0 1 0 0 1 1 1 0 (校验字)
1 1 1 1 1 1 1 1 (校验和)
理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这种错误的概率很
小，一般可以不予考虑。若要考虑，须采用更复杂的校验方法。
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7-2-2 自检算法
二、 RAM的检测
数据存储器RAM是否正常的测量算 法是通过检验其“读/写功能”的有效性来 体现的。
常 选 特 征 字 55H 和 AAH ， 分 别 对 RAM 中的每一个单元进行先写后读的操 作。判别读/写内容是否相符的常用方法 是，把该单元的内容求反并与原码进行 “异或”运算，若结果为FFH，表明正常。
为此可利用零点自动校准技术.
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7-1-1 零点漂移的自动校准
自动校准的原理
假设零点漂移电压为VOS,校准零点漂移电压VOS电路的原理如下图:
Vi S3 S1 S2 VOS
模拟 测量通道 VR
CPU
驱动器
接口
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相接。
一般来说，自检内容包括ROM、RAM、总线、显示器、键盘以及测量电 路等部件的检测。仪器能够进行自检的项目越多， 使用和维修就越方便， 但相应的硬件和软件也越复杂。
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7-2-2 自检算法
一、 ROM或EPROM的检测
由于ROM中存在着仪器的控制软件，因而对ROM的检测是至关重要的。 ROM 故障的测量算法常采用“校验和”方法，具体作法是：在将程序机 器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不 写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一 列都具有奇数个１。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果 ROM无故障，各列的运算结果应都为“１”，即校验和等于FFH。
标准仪器
可
调
信
号
源ຫໍສະໝຸດ Baidu
被校仪器
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第七章 自动校准和自诊断技术
3.传统仪器的两种校正方案
②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，它与被校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，就可以得到被校仪 器在所有的测量点上的校准值。
被校信号 可调标准信号源
N N1 N 0 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的影响，真正 代表了输入电压Vi的输出值。
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7-1-1 零点漂移的自动校准
两种情况之一：当零点漂移电压不变化的时候：
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是保持不变的。 2)为了消去Vos，需进行两次测量，用了双倍的时间，对测量速度的影响比 较大。
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的功能. 1)检测:只判断有无故障. 2)诊断:判断故障出现的部位.
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第七章 自动校准和自诊断技术
3.传统仪器的两种校正方案
①利用同类型的准确度高的标准仪器来校准。 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，标准仪器上的输出作为真值，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。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。
N
KVi
N2
KVOS2
N2
N1
t2 t3
t1 t1
(N3
N1)
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,已经消去了零点漂 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，完全可以近似认为零点漂移电压Vos是线性变 化的。
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7-1-2 增益K的内部自动校准
备注：量程的自动转换也是仪器自动校准的一部分。
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7-2 仪器的自诊断
所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检 测，并对故障进行定位。自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便。
7.2.1 自检方式 7.2.2 自检算法 7.2.3 自检软件
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7-2-1 自检方式
（1） 开机自检。 开机自检在仪器电源接通或复位之后进行。自检中如果没发现问题，就自动 进入测量程序，如果发现问题，则及时报警，以避免仪器带病工作。开机自 检是对仪器正式投入运行之前所进行的全面检查。 （2） 周期性自检。 周期性自检是指在仪器运行过程中，间断插入的自检操作，这种自检方式可 以保证仪器在使用过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响仪器的正常 工作，因而只有当出现故障给予报警时，用户才会觉察。 （3） 键控自检。 有些仪器在面板上设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度发出怀疑时，便 通过该键来启动一次自检过程。
被校仪器
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. 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.
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第七章 自动校准和自诊断技术
4.智能仪器的校准
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,利用软件实现自动校准.
它有如下的特点： 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方法。
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。
Vi S3 S1 S2 VOS
模拟 测量通道 VR
CPU
驱动器
接口
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7-1-2 增益K的内部自动校准
步骤如下：假设此时无零点漂移(即VOS=0),在计算机控制下, 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Nr=KVr ，将Nr存入RAM 的确定单元中. 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 ③仪器内部CPU对测量数据进行以下计算:
设计仪器时，安排内部自动校准有两种方案： 1)每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏移的自动校准。这时，测量速 度会显著的降低，这是以牺牲速度求得测量的准确度。 2)有选择的进行自定校准。仪表面板上设置了“自校准”按钮，只有按此按钮 的时候，测量才进行零点漂移和倍率的校准。
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7-1-4 仪器的外部自动校准
上述检验属于破坏性检验，一般用 于开机自检。若RAM中已存有数据，若 要求在不破坏RAM中原有内容的前提下 进行检验就相对麻烦一些。
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7-2-2 自检算法
三、 总线的检测
所谓总线的自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。
由于总线没有记忆能力，因此需要设置了两组锁存触发器，分别记忆地 址总线和数据总线上的信息。这样，只要执行一条对存储器或I/O设备的写 操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组触发器中，我们 通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障。
VOS 2
VOS1
VOS3 t3
VOS1 t1
(t2
t1)
等式两边同乘K整理得：
KVOS 2
KVOS1
t2 t3
t1 t1
( KVOS 3
KVOS1 )
N1
t2 t3
t1 t1
(N3
N1 )
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7-1-1 零点漂移的自动校准
两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：
则A/D转换后消除零点漂移后的总得输出值为：
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7-1-1 零点漂移的自动校准
两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：
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。 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。
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7-2-1 自检方式
自检过程中，如果检测仪器出现某些故障，应该以适当的形式发出指示。 智能仪器一般都借用本身的显示器，以文字或数字的形式显示“出错代码”， 出错代码通常以“Error X”字样表示，其中“X”为故障代号，操作人员根据 “出错代码”，查阅仪器手册便可确定故障内容。仪器除了给出故障代号之 外，往往还给出指示灯的闪烁或者音响报警信号，以提醒操作人员注意。
VOS为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。
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7-1-1 零点漂移的自动校准
两种情况之一：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： 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转换的输出值N0；则有：N0=KVos； 该式中，K为总的放大系数. ②在微机控制下,切断开关S1、S2，闭合开关S3。将被测信号Vi和漂移电压 Vos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： N1=K(Vi+Vos)； 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/ Nr (KVi) /(KVr ) Vi /Vr
整理得： V i NVr
从上式可看出,这样得到的输入信号与增益K没有关系,消除了因K偏离额 定值所引起的误差。
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7-1-3 内部自动校准总结
归纳内部自动校准的流程如下:
在实际进行内部自动校准的时候，既要考虑零点漂移，也要考虑倍率K的变
仪器的外部自动校准，也可以采用自动校准系统来完成。 外部自动校准要采用高精度的外部标准。 例如.一些智能仪器只需操作者按下自校准键,仪器就会提示操作者输入 标准电压,当操作者按照提示给出了标准电压后,再按一次键,仪器就会启动校 准系统完成校准测量,外部校准一旦完成,新的校准常数就会被保存在测量仪 器中.有的公司还专门提供测量仪器中的外校准的标准软件.