開機特性智能校準裝置的設(shè)計

肖娜麗，沈明炎，黃 洪，王曉群，高銘思

(福建省計量科學研究院，福建 福州 350003)

0 引言

開機特性是反映晶振在7 h內(nèi)頻率漂移程度的參數(shù)，是評價以晶體振蕩器[1]作為時間基準的各類儀器的重要指標。時鐘測試儀類電力儀器(如時鐘測試儀、精密時鐘源、時基頻率儀等)是用于測試生產(chǎn)過程中電能表計時性能的重要儀器。采用晶振作為時間基準，其計量性能直接影響電能表計時的準確性，涉及廣大電力用戶的切身利益[2]。然而，采用傳統(tǒng)方法進行開機特性校準時，存在送檢量多、輸出頻率差異大、耗時長、時間間隔難以把控和數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題，給開機特性的校準帶來諸多困難。

為此，提出一種開機特性智能校準裝置的設(shè)計方案，并開展開機特性的自動測試。該裝置具備21個校準通道，有效解決了上述問題。

1 傳統(tǒng)校準方法及存在問題

根據(jù)JJG 180-2002《電子測量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器》檢定規(guī)程、JJF 1662-2017《時鐘測試儀校準規(guī)范》等規(guī)程規(guī)范的相關(guān)要求，在校準時鐘測試儀等儀器的晶振準確度[3]時需進行開機特性的校準。根據(jù)該項目的校準要求，在進行適當?shù)念A(yù)熱時間后開始校準，需連續(xù)讀取3個晶振數(shù)據(jù)求取平均值，計算相對平均頻率偏差[4]；每隔1 h重復(fù)上述操作，持續(xù)7 h，最終得到8組數(shù)據(jù)，從而計算開機特性的結(jié)果。

目前,用于校準開機特性的方法主要有以下兩種。

(1)采用頻標比對器及配套軟件自動校準。

該方法要求被校晶振輸出頻率為1 MHz、5 MHz、10 MHz等常見的頻率值，通用計數(shù)器[5]類儀器可采用此方法。但時鐘測試儀類電力儀器的晶振輸出頻率為100 kHz、500 kHz、625 kHz等，因頻點特殊，不符合頻標比對器的工作要求，故此方法不適用于該類儀器的校準。

(2)手動校準。

通過人工操作記錄的方法，可完成時鐘測試儀類電力儀器的校準工作，但存在以下幾個問題。

①工作效率低：由開機特性的校準程序可知，該項目的校準耗時長、工作繁復(fù)，試驗人員的工作時間利用率不足1%。

②時間間隔難以準確控制：在手動操作和記錄的條件下無法保證同一時間間隔記錄數(shù)據(jù)，較易導致試驗過程引入人為誤差。

③數(shù)據(jù)處理繁瑣：每校準一臺時鐘測試儀需對24個數(shù)據(jù)進行平均值處理，再對8個平均值計算相對平均頻率偏差相對值，最終計算極差得出開機特性。數(shù)據(jù)分析處理需耗費大量的時間和精力，繁瑣的計算過程也會加大校準結(jié)果處理不當?shù)娘L險。

2 開機特性智能校準裝置的設(shè)計及實現(xiàn)

本文設(shè)計一種開機特性智能校準裝置，適用于晶振準確度低于1×10-9的時鐘測試儀類電力儀器的校準，并可解決上述問題。

2.1 裝置原理

裝置由外接晶振、標準器、控制器、控制程序等幾大部分組成。根據(jù)晶振校準的規(guī)定，標準器的頻率準確度要比被檢儀器高一個數(shù)量級，故選用銣原子頻率標準[6](頻率準確度5×10-11)作為外接晶振，提高整套校準系統(tǒng)的晶振準確度。選用12位顯示位數(shù)的等精度頻率分析儀作為標準器，可滿足輸出頻率為1 Hz～20 GHz的任意頻率點的校準需求。研制智能校準控制器，提供多臺儀器同時校準的條件，消除人為誤差。此外，配合硬件部分編寫基于LabVIEW[7]的控制程序，組成一套開機特性智能校準裝置。開機特性智能校準裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 開機特性智能校準裝置原理圖

2.2 智能校準控制器的硬件設(shè)計

智能校準控制器主要實現(xiàn)以下功能：①提供1 Hz～20 GHz寬頻帶的頻率校準條件；②為試驗提供多通道選擇的條件；③配合校準程序完成通道的自由切換。

為實現(xiàn)上述功能，智能校準控制器主要由射頻開關(guān)組和控制模塊兩部分組成。其中，射頻開關(guān)選用安捷倫公司生產(chǎn)的87106 B型射頻開關(guān)[8]，可滿足DC-20 GHz高頻寬的校準需求。該射頻開關(guān)組由一個射頻開關(guān)提供3路級聯(lián)信號，用于控制其他3個射頻開關(guān)，外加剩余的3路開關(guān)，組成21路開關(guān)組，保證整套系統(tǒng)可同時校準21臺被檢儀器。控制模塊則由CPU、電源轉(zhuǎn)換電路、接口電路、開關(guān)選擇電路組成。其中，STM32F103RT6單片機[9]具有低功耗、輸入/輸出口多、端口資源豐富等優(yōu)點，選用該單片機作為CPU，主要負責對各組成模塊進行協(xié)調(diào)和全面管理，實現(xiàn)各類信息的接收和指令的下達；電源轉(zhuǎn)換電路選用MP2403 DN降壓芯片，將供電電壓5 V降為3.3 V，用于保障單片機及其他電路的正常供電；接口電路選用PL2303芯片進行USB-RS-232的轉(zhuǎn)換，達到RS232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的目的；開關(guān)選擇電路選用74HC595型位移緩存器作為主芯片達到控制21路射頻開關(guān)通斷的目的。

2.3 程序設(shè)計

開機特性校準流程如圖2所示。

圖2 開機特性校準流程圖

上位機程序采用LabVIEW編寫[10]，包括通道選擇模塊、試驗項目選擇模塊、波形顯示模塊及數(shù)據(jù)讀取模塊[11]。上位機程序控制整套裝置，將時鐘測試儀晶振的輸出信號送至頻率分析儀的輸入端后連續(xù)測量三次取算術(shù)平均值作為一次測量結(jié)果，記為按式(1)計算晶振的相對平均頻率偏差yi(τ)，連續(xù)測量7 h。重復(fù)上述數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，共得到8個yi(τ)，按式(2)計算開機特性V并提供給用戶。

(1)

V=ymax(τ)-ymin(τ)

(2)

2.4 裝置性能與優(yōu)勢

經(jīng)評定，該套裝置的相對擴展不確定度為1.0×10-9，可用于開展時鐘測試儀類電力儀器的校準工作。該套裝置具備以下幾個優(yōu)勢。

①適用頻段寬：該裝置提供1 Hz～20 GHz任意頻點的校準條件，用戶可在同一時間不同通道上進行不同校準頻點的校準工作，擴展了該裝置的運用范圍。

②準確控制時間間隔：該裝置利用計算機時間控制時間間隔和通道切換時間，有效避免人工切換引入的誤差，確保任一通道上同臺儀器的時間間隔一致，保證校準數(shù)據(jù)有效可靠。

③自動數(shù)據(jù)處理：該裝置自動完成整個實驗的數(shù)據(jù)采集、分析和處理， 為試驗人員省去繁瑣的處理工作，避免不必要的人為錯誤，保證結(jié)果準確無誤。

④高效校準：該裝置人機交互界面友好，試驗人員只要連接好儀器，即可自動測試；且用戶可隨時暫停當前試驗，并加入新的試驗儀器參與測試，同一時間可保證21臺儀器同時校準，最大限度壓縮空閑時間，有效提高校準效率。

⑤便于攜帶：該套裝置質(zhì)量輕、體積小，方便試驗人員開展現(xiàn)場試驗。

3 智能校準裝置的性能驗證

因頻標比對器及配套軟件的校準方法已通過法定計量機構(gòu)考核和CNAS認可，故采用與該方法比對的方式驗證開機特性智能校準裝置的性能。參加比對的對象為頻標比對器及配套軟件、開機特性智能校準裝置；比對樣品為通用計數(shù)器；比對頻率為10 MHz。開機特性比對結(jié)果如表1所示。

表1 開機特性結(jié)果比對結(jié)果

經(jīng)計算，頻標比對器及配套軟件測試的開機特性結(jié)果為2.5×10-9，其相對擴展不確定度為1.0×10-9(k=2); 開機特性智能校準裝置的開機特性結(jié)果為2.6×10-9，其相對擴展不確定度為1.0×10-9(k=2)。通過比較同一時刻測試結(jié)果的差值可以看出，兩套裝置的差值小于5×10-10，遠遠小于擴展不確定度；由式(3)可得，比對結(jié)果的En值小于1，證明該裝置符合要求。經(jīng)重復(fù)性和穩(wěn)定性測試，該裝置完全滿足相關(guān)規(guī)程要求。

(3)

4 結(jié)束語

開機特性智能校準裝置滿足時鐘測試儀類電力儀器的校準需求，相對擴展不確定度為1.0×10-9，具有適用頻段寬、準確控制時間間隔、自動數(shù)據(jù)處理、高效校準、便于攜帶等優(yōu)點。

經(jīng)比對，本裝置開機特性的比對結(jié)果En值小于1，重復(fù)性和穩(wěn)定性符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范的試驗要求，較好地解決了時鐘測試儀類電力儀器開機特性的校準難題。