计算机测控技术第5章

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1、第五章 自动校准和抗干扰技术,5.1 误差校准和自检 5.2 测控系统的内部自动校准 5.3 测控系统的抗干扰技术,5.1 误差校准和自检,5.1.1 测控系统的系统误差及其校准测控系统的准确度是用测量误差来衡量的。测量误差包括偶然误差和系统误差，为了保证测控系统的精度，应该减少偶然误差和系统误差。 偶然误差主要是由于周围环境和测控系统内部的偶然因素的作用造成的。为了减小偶然误差，除去要稳定测量环境外， 可在规定条件下对被测量进行多次测量，再利用统计方法对测量数据进行平均和滤波处理。,系统误差是由于测控系统内部和外部的固定不变或按确定规律变化的因素的作用造成的。可利用校准的方法来减小仪器的系统

2、误差。 校准有两种不同的实现方法： (1) 根据系统误差的变化规律，采用一定的测量方法或计算方法，将它从测量系统的测量结果中扣除。 (2) 准确度等级高的仪器其系统误差小。因此，可用准确度高的标准仪器去修正准确度低的被测系统。这里，有两种方案可供使用。, 采用同类型的准确度高的标准仪器（见图51）。校准时，标准仪器和被校测控系统同时测量信号源输出的一个信号，标准仪器的显示值作为被测信号的真值，它与被校测控系统显示值的差值即为该仪器的测量误差。由小到大改变信号源的输出，可以获得测控系统在所有测量点上的校准值。,图51 用同类型标准仪器进行比对校准, 采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源（见

3、图52）。校准时，信号源的指示值作为真值，它与被校测控系统指示值的差值就是该系统的测量误差。从小到大调节标准源的输出，可以测量出被校测控系统在所有测量点上的校准值。 过去，在校准无内置微机的传统仪器时，信号源的输出的改变和被校仪器功能、量限的设定等都是靠手动调节的。测量的数据也是靠人工进行观测、记录和处理的。当被校仪器超过误差时，需用手动调节仪器内部的可调元器件的参数(可调电阻，可调电容，可调电感)来使其指示值向标准源的指示值靠拢。,图52 用标准信号源进行校准,与传统仪器的手动校准不同，测控系统都是可程控的， 在控制器的程控命令指挥下，校准完全可以自动进行，它有如下特点： (1) 它分为外部

4、校准和内部校准两种方式。 (2) 外部校准采用上述第二种校准方法，但不需要像校准传统仪器那样，手动调节被校仪器的输入信号，也不需要打开机箱手动调节仪器内部的可调元器件，而是使用由测控系统组成的自动校准系统来实现的。 (3) 内部自动校准采用上述第一种校准方法依靠测控系统内部微机和内附标准源自动完成，即根据系统误差的变化规律， 用一定的测量方法或计算方法来扣除系统误差。,5.1.2 系统故障的检测和诊断测控系统可能产生故障的物理原因很多。从外部因素讲， 空间强电磁场的冲击，电网电压的冲击，机械振动，温度、 湿度的变化，或者使用和维护不当，都可引起系统的接插件、 内部元器件和电路板的工作不良。从内

5、部因素看，随着时间的变化，系统内部元器件和电路板的老化引起其性能下降和参数变化。这种变化超过一定的容限时就会形成测控系统故障。 此外，和传统仪器不同，测控系统除硬件故障外，还可能出现软件故障。,对待故障有两种基本策略。一种是采用冗余技术，故障产生时， 设法避开故障的作用，屏蔽它的影响。另一种是测试故障， 在故障产生时，及时发现和排除，使系统可靠地工作。 故障测试分两种。如果要求确定测控系统是否存在故障， 称为故障检测。如果要求确定故障发生的具体位置(故障定位)， 称为故障诊断。 故障诊断要比故障检测难得多。,故障定位有一个细度问题。被检测的对象规模大小不同时，对故障诊断的细度要求也不同。 通常

6、， 诊断一个系统时，要求故障定位到印刷电路板级， 诊断一块印刷电路板时，要求故障定位到集成电路块级，诊断一块集成电路时， 则希望将故障定位到其输入、输出脚或内部的元件上(在集成电路设计时)。 依靠测控系统内部的微机和内附的故障检测电路来自动实现故障检测和故障诊断，称为自检。如果故障的测试是靠外部自动测试设备来完成的， 则称为故障的外部测试。,不管是哪种检测方法，其原理都是：给被测对象施加一定的检测激励信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。所加的检测激励信号称为测试矢量或测试码。不是任何信号都可充当测试矢量的。测试矢量加在电路后，电路有故障和无故障时的响应信号是不同的。响应信号又称响应矢量

7、或响应序列。,5.1.3 测控系统故障的自检测控系统的自检，主要是针对下列部件： (1) 测控系统的数字电路部件。包括中央处理器(CPU)、 存储器(RAM、ROM、EPROM)、输入输出口、逻辑控制电路、总线等。 (2) 测控系统的模拟电路部件。包括模拟量输入通道、 模拟量输出通道、电源、标准源等。 (3)系统的软件部分。,测控系统自检采用下面几种方式： 开机自检。每当接通电源或者复位之后， 测控系统即进行一次自检。大多数计算机测控系统都具备开机自检的功能。 周期性自检。为保证系统长时间可靠稳定的工作，有时在其运行过程中周期性地插入自检。周期性自检是自动进行的,不需要操作者的介入。 连续监控

8、。测控系统一般内设有专门电路或者附加专门的检错码，时刻监视系统运行状态，一旦出现某种故障，就停止测控系统工作， 转入出错处理。 ,图53为系统进行内部自检的原理图。图中的被检测部件为系统仪器电路的一个组成部分， 为清楚起见，将其从系统电路中分离开来表示。自检电路由测试矢量发生器、响应序列寄存器、多路转换器MUX和多路分配器DMUX组成。在MUX和DEMUX处于两种不同位置时，系统有两种不同工作方式。,图53 系统仪器的故障自检原理图,(1) 正常工作方式。MUX的S1和DEMUX的S2位于a点，被检测电路与系统仪器其余电路连接， 完成仪器的正常工作。 (2) 自检工作方式。MUX的S1和DEM

9、UX的S2位于b点，被检测部件与仪器的其余电路隔离，其输入端与测试矢量发生器相接， 输出端与响应序列寄存器相接。测试矢量依次加在被检测部件输入端，其响应矢量寄存在响应矢量寄存器中，最后可由微机读取响应矢量进行故障分析和判断。,MUX和DEMUX的结构原理如图54和55所示。被测部件的输入、输出端越多，相对应的MUX和DEMUX的结构就越复杂。 除去采用MUX和DEMUX使被检测部件在自检时与原电路中的其它部件隔离外，也可利用微机的总线，使挂接其上的各部件在自检时相互不影响(例如对微机中的ROM、RAM自检)。这时， 不需要MUX和DEMUX。,图54 多路转换器MUX的原理图,图55 多路分配

10、器DEMUX的原理图,5.2 测控系统的内部自动校准,5.2.1 模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化图56是测控系统中的数字电压表的模拟输入通道的组成图。其总的系统误差是由每个部件的系统误差综合而成。而每个部件的误差，可以等效地看成是由零点漂移电压e和倍率系数k的变化dk所造成的。图中，ei为部件i的输入端等效漂移电压；dki为部件i的等效的倍率系数的变化值。,图56 测量通道的各个部件产生的等效系统误差,运算放大器的直流参数有输入失调电压、输入偏置电流、 输入失调电流、开环放大倍数和倍率电阻。 它们是形成e和dk的主要因素。图57是一个差分运算放大器采用同相输入方式时的等效电路图。 同相输入

11、方式是模拟测试通道中运算放大器最常采用的输入方式。下面我们来分析它的等效零点漂移和倍率变化。,图57 同相输入方式运算放大器的等效图,由图可知,由于,所以,(53),式中，A为放大器的开环放大倍数。,将式（52）和式（53）代入式（51）中，并考虑到IosIb2-Ib1，RR1R2/(R1+R2)和I1RiUo/A（其中，Ios称为失调电压）， 得,令k=(R2/R1)，则有,(54),由式（54）可知： (1) 该放大器的放大倍数为(1+k)d，系数 ， 当放大器的开环放大倍数A1+k，Ri R2时，系数d1，此时实际运算放大器的放大倍数接近理想运算放大器的放大倍数1+(R2/R1)。由于A

12、、Ri、R1、R2也都随温度变化而变化， 因此，实际的运算放大器的放大倍数还会随温度的变化而产生温度漂移。,(2) 输入失调电压eos和失调电流Ios对放大器输出的影响相当于在输入信号上加了一个零漂电压Uos，由Uos=eos+RIos知， 失调电压eos直接影响Uos的大小。而失调电流Ios是通过电阻R形成电压后才对Uos起作用。eos、Ios、R1和R2均是温度的函数， 因此， 温度变化时， 等效的零漂电压Uos也会随着变化。 对于反相输入工作方式的运算放大器，也可采用相类似的方法来分析其零点漂移和倍率变化。,前置放大器、预处理滤波器、采样保持器、A/D转换器等部件的输入端都存在失调电压和

13、失调电流，它们的等效零点漂移和倍率变化的分析方法也与上述相似。在图56中， 模拟测量通道的部件是前后级串联的，此时，怎样计算总的零漂电压和倍率呢?以图58为例说明。k1、k2分别为部件1和部件2的实际倍率，Uos1、Uos2分别为它们输入端等效的零点漂移电压。部件1和部件2是串接的，它们的输出电压Uo1和Uo2分别为,图58 串接部件的等效分析电路,因此，这两个串接部件可以用一个部件来等效。该部件的倍率为k1k2，零点漂移电压为Uos1+Uos2/k1，其中Uos2/k1为第二个部件输入的零漂电压折算到第一个部件输入端后的值。 对于多个串接部件组成的电路， 同样可分析它的等效零漂电压和倍率。,

14、5.2.2 零点漂移的内部自动校准零点漂移电压Uos是模拟输入通道的主要系统误差，应该对它进行校准。图59是校准电路的原理图。S1、S2、S3为模拟量开关，在仪器内部微机控制下，它们可以使模拟测量通道的输入端依次与地、仪器内部标准源Uref和外部被测量Ui相接。Uos为折合到模拟测量通道输入端的零点漂移电压。,图59 模拟通道的内部自校准原理图,现在分两种情况来讨论对Uos的校准方法。(1) 零点漂移电压Uos恒定不变时，校准分三步进行： 在微机控制下，切断开关S2、S3，闭合开关S1，此时输入端与地短接。Uos输入模拟测量通道。设此时的输出(A/D转换器的输出)为D0， 则有,式中，k为总的

15、倍率和转换系数。, 在微机控制下，切断开关S1、S2，闭合开关S3，被测信号Ui和Uos一起输入模拟测量通道。设此时的输出为D1，则有,D1=k(Ui+Uos), 微机对上述两次测量数据进行计算,D=D1-D0=kUi,计算后的数值D，消去了零点漂移电压Uos的影响，真正代表了Ui的值。这里要注意的是： 二次测量过程中，假设Uos和k恒定不变。 为了消去Uos， 需进行两次测量，用了双倍时间，测量速度减慢一半以上。,(2) 零点漂移电压Uos如果在上述两次测量之间发生变化， 上述方法就不能用，必须对Uos进行插值处理，如图 510所示。假设Uos随时间线性变化，则对它进行校准的步骤如下： 合上

16、开关S1，设这时的零漂电压为Uos1。在微机启动A/D转换器测量Uos1的同时，要启动测控系统的内部计时单元， 使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1，A/D的输出为D1。, 打开开关S1合上开关S3，假设这时的零漂电压为Uos2。 Uos2和被测量Ui一起输入到模拟测量通道的输入端，设输出为D2， 则,D2k(Ui+Uos2),当微机启动A/D转换器测量Ui时，要读取内部计时单元的时间，设为t2。, 打开开关S2，再次合上开关S1，假设这时的零漂电压为Uos3，输出为D3，则,D3kUos3,当微机启动A/D转换器测量Uos3时，要读取内部计时单元的时间，设为t3。由于从时间t1到t3之间Uos呈线性变化，可利用线性插值法求Uos2(如图 510 所示)。,因为,所以,微机进行上列计算后所得数值D，已消去了零漂电压Uos2的影响，真正代表了Ui的值。由于温度变化惯性大，速度慢，由它引起的Uos变化范围小，如果测量的间隔时间不太长， 完全可以近似地认为零漂电压Uos2是线性变化的。,