基于LabVIEW虛擬儀器檢測過程的校正方法 ①

周 磊, 方振國, 馬清峰

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

對電路進(jìn)行檢測時，各種測量誤差直接影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。即使在儀器校正后，也仍會存在一些難以消除的誤差對測量造成影響，因此檢測過程中對誤差的處理尤為重要。隨著各類數(shù)據(jù)測量要求的不斷提高，如何確定并處理儀器誤差正在成為檢測技術(shù)的研究熱點。目前國際普遍采用的方法包括誤差防止和誤差補償。誤差防止上國內(nèi)外儀器向著高精密加工的方向發(fā)展，但制造成本較高。而誤差補償多采用程序校正的方式以減小檢測儀器的誤差，效率較高且結(jié)果明顯。若依據(jù)誤差補償原理，以LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計檢測平臺，可簡易的確定測量過程中存在的誤差，并建立相應(yīng)的模型進(jìn)行誤差補償。檢測平臺的設(shè)計能有效減小儀器間誤差問題，對于數(shù)據(jù)檢測及電路的誤差分析有著較大的作用。

1 檢測平臺

檢測平臺主要由上位機(jī)、函數(shù)發(fā)生器和示波器組建，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上位機(jī)為用戶提供檢測的各項功能操作，實現(xiàn)對整個平臺的靈活操控，并可通過LabVIEW編程加入新功能。函數(shù)發(fā)生器與示波器是平臺的主要測量儀器，接入電路并對檢測平臺校正后，便可通過上位機(jī)對各項參數(shù)進(jìn)行測量分析。在上位機(jī)發(fā)送波形指令后，串口讀取測量儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析調(diào)整，并執(zhí)行相應(yīng)的校正程序，減小檢測儀器對電路的影響。

圖1 檢測平臺結(jié)構(gòu)

圖2 校正過程等效電路

2 檢測過程的阻抗分析

無源探頭接入電路進(jìn)行校正時，建立如圖2所示的等效電路圖。對于檢測儀器間的機(jī)械誤差、材質(zhì)、電磁以及電板線路等各方面的難以消除的誤差，將這些阻抗較小且短時間內(nèi)近似固定的阻抗記為R1，并將其視為信號源內(nèi)阻[1]。探頭作為數(shù)據(jù)測量使用的主要器件，其自校準(zhǔn)和補償不足會對信號的測量產(chǎn)生較大誤差。當(dāng)其接入電路后產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)直接影響被測電路，探頭采用×1檔位時，波形無衰減傳遞的過程中主要受負(fù)載效應(yīng)的影響。探頭的負(fù)載特性為其測量誤差增加了不確定性，記在測量時探頭負(fù)載效應(yīng)產(chǎn)生的阻抗為Z2，而設(shè)計中所測量波形頻率較小，故可主要考慮其內(nèi)等效電阻R2。最后將示波器內(nèi)×1檔時標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗記為Z3，其內(nèi)等效電阻R3在低頻時起主導(dǎo)作用，故R3上的電壓為示波器實際測量到的電壓值。因此低頻測量時檢測平臺的主要阻抗有R1、R2、R3。

圖3 電壓誤差線性擬合

圖4 虛擬儀器前面板

若在每次測量時，將檢測平臺短期內(nèi)的阻抗R1、R2視為固定的，則隨著上位機(jī)所輸入電壓值的不斷改變，阻抗上的電壓將隨之發(fā)生線性變化。兩阻抗的影響最終均表現(xiàn)為示波器未能達(dá)到使用者所設(shè)定的電壓值，相反若不存在誤差的影響，示波器顯示的幅值與上位機(jī)所輸入電壓值相同。以正弦波傳輸為例，在上位機(jī)發(fā)送波形命令后，計算阻抗的電壓有效值。函數(shù)發(fā)生器按上位機(jī)指令輸出一個波形振幅為Um，角頻率為ω,初相位為φ的正弦波u(t)，并設(shè)示波器電路電壓有效值為U1，幅度值為Um1,阻抗R1、R2上的電壓為U2[2]。由電路電壓關(guān)系有：

u(t)=Um·sin(ωt+φ)

(1)

R=R1+R2

(2)

(3)

(4)

圖5 校正流程

若每次測量中連線間的阻抗是固定的，則輸入電壓的振幅Um每增加n倍，阻抗上電壓U2隨之改變后的電壓U2′滿足公式：

(5)

3 位機(jī)的誤差校正

針對檢測平過程中存在的誤差，上位機(jī)采用了LabVIEW開發(fā)軟件來實現(xiàn)對儀器的調(diào)控校正，將函數(shù)發(fā)生器、示波器與上位機(jī)串口連接，執(zhí)行上位機(jī)指令完成各種測量操作。上位機(jī)LabVIEW虛擬儀器前面板如圖4所示，其校正程序通過前面板校正按鍵觸發(fā)，校正鍵在對示波器波形校正的同時，完成上位機(jī)波形的調(diào)整。校正后便可以通過上位機(jī)對儀器進(jìn)一步控制，完成對電路的測量。

平臺連線完成后，在上位機(jī)輸入所需的波形參數(shù)，并預(yù)先通過上位機(jī)使示波器執(zhí)行校正功能。示波器校正后發(fā)送波形指令，對儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，執(zhí)行校正程序，實現(xiàn)儀器的校正。以波形電壓校正為例，校正流程如圖5所示。首先對示波器進(jìn)行校正，減小示波器自身誤差的影響。觸發(fā)前面板編譯的電壓鍵，上位機(jī)發(fā)送波形指令，函數(shù)發(fā)生器在程序控制下產(chǎn)生上位機(jī)所設(shè)置的電壓U，其波形到達(dá)示波器時幅度為Um1。對此時兩儀器的數(shù)據(jù)讀取,并計算出平臺內(nèi)阻抗的電壓U2。在檢測平臺內(nèi)各類阻抗的影響下，示波器所測得的電壓未達(dá)到上位機(jī)所設(shè)電壓，即平臺的輸出電壓未滿足測量要求。為減小誤差的影響，使示波器呈現(xiàn)理想的測量值，校準(zhǔn)程序?qū)⑽⒄{(diào)平臺內(nèi)函數(shù)發(fā)生器的電壓。同時由于微調(diào)后的電壓改變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原電壓U，并受到電路阻抗及示波器精度的限制，電壓U的微小增減難以使誤差再次改變。在程序設(shè)計上，對于誤差給測量帶來的影響，在不改變上位機(jī)所設(shè)電壓的情況下，通過校正程序微調(diào)函數(shù)發(fā)生器實際產(chǎn)生的電壓，在阻抗影響傳輸后，示波器的電壓受到的影響大大減小，仍能較大程度上接近理想的電壓值。為便于觀測，在示波器測得的電壓接近理想電壓后，上位機(jī)自動執(zhí)行對波形的采集，并在其虛擬示波器前面板上呈現(xiàn)校正后誤差減小的波形。校正完成后便可以電壓U對實際電路進(jìn)行量測，在一定程度上減小誤差對電路的影響。以U為100mV的正弦波為例，虛擬前面板校正前后對比如圖6所示。

圖6 校正前后波形對比

圖7 串聯(lián)分壓電路

4 電路測量應(yīng)用

檢測平臺由常見的示波器、函數(shù)發(fā)生器及PC機(jī)組成，編程修改指令后，可對各類測量儀器進(jìn)行簡單操控。將其接入所測電路，校正處理可有效的減小電壓誤差的問題，滿足電路中各元器件的電壓需要，在測量時獲得更為精確有效的數(shù)據(jù)。為驗證校正后電路的測量效果，以分壓電路對實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄比較。如下圖7所示為一簡單分壓電路，采用兩相同的電阻串聯(lián)，在串聯(lián)電路上設(shè)兩測量端口1、2，在接入函數(shù)發(fā)生器后，以示波器對1端口和2端口進(jìn)行測量。理論上1端口的電壓應(yīng)與輸入電壓相等，2端口的電壓為輸入電壓的二分之一。而實際測量過程中，受各方面誤差的影響，其測量值均小于理論電壓。在上位機(jī)的控制下，逐漸增加輸入電壓，并同時測量兩端口校正前后的電壓。校正前后端口電壓數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)看出校正前后輸入端口1及2端口電阻上的電壓誤差明顯減小，更接近于理想電壓。

表1 校正前后端口電壓對比

5 程序框圖

為達(dá)到檢測平臺的校正效果，LabVIEW程序框圖主要使用了條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)大部分按鍵功能以及誤差校正。通過前面板按鍵的觸發(fā)狀態(tài)決定其結(jié)構(gòu)對應(yīng)的指令是否執(zhí)行。在按鍵觸發(fā)后，程序框圖運行并對儀器發(fā)送的一系列指令，以達(dá)到按鍵設(shè)計的目的。整個框圖主要包括示波器和函數(shù)發(fā)生器兩大部分，兩儀器的主要控制程序相互獨立，誤差校正時可以通過局部變量相互調(diào)用[3]。其部分程序框圖如圖8所示。

圖8 部分程序框圖

6 結(jié) 語

檢測平臺以常見的示波器與函數(shù)發(fā)生器作為測量儀器，以LabVIEW軟件進(jìn)行程序設(shè)計，針對日常檢測中所遇到的誤差問題進(jìn)行了一定的分析。平臺將上位機(jī)的電壓值及波形作為實際觀測的數(shù)據(jù)，根據(jù)每次測量中所存在的誤差調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器與示波器的參數(shù)，一定程度上減小了誤差對電路檢測的影響，提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。