基于PXIe總線的數(shù)字示波器現(xiàn)場高效校準系統(tǒng)

宋佳玲，李 建，高巖晶，郭偉民

基于PXIe總線的數(shù)字示波器現(xiàn)場高效校準系統(tǒng)

宋佳玲，李 建，高巖晶，郭偉民

（中國工程物理研究院計量測試中心，綿陽，621000）

為提高數(shù)字示波器現(xiàn)場校準效率，提出一種可并行校準5臺1GHz及以下帶寬的數(shù)字示波器的軟硬件實現(xiàn)方法。按照GJB7691-2012對計量標準裝置的要求，每個數(shù)字示波器校準通道均需具備直流電壓、時標、穩(wěn)幅正弦波和快沿脈沖4種基本信號輸出功能和電阻測量功能。4種信號輸出功能及電阻測量功能的模塊設計、與被校數(shù)字示波器之間的通路設計以及并行校準軟件設計是實現(xiàn)現(xiàn)場高效校準的重點。對校準裝置的軟硬件總體方案進行設計，對裝置的主要功能模塊實現(xiàn)方法以及并行校準軟件設計方法進行了詳細描述，設計并行按需校準、并行校準和串行校準試驗，試驗結(jié)果表明此方法可快速、高效地實現(xiàn)數(shù)字示波器的并行校準。

數(shù)字示波器；并行校準；開關(guān)拓撲；現(xiàn)場高效

0 引 言

數(shù)字示波器是應用最廣泛的時域測量儀器[1]。在一些大型物理診斷平臺或大型綜合測試控制臺中，示波器的4個采集通道通常不能滿足測試需求，于是將數(shù)十甚至上百臺數(shù)字示波器通過局域網(wǎng)組成數(shù)字示波器陣列測試系統(tǒng)，完成對大型試驗裝置眾多電參數(shù)和物理參數(shù)的直接或間接的多通道準確測量，為物理診斷測試提供可靠、必要的依據(jù)。

目前的計量裝置基本可以完成一定帶寬范圍內(nèi)（20 GHz）數(shù)字示波器的全項目計量，但均采用單一逐臺逐通道方式，即串行、單路的工作模式。此類計量裝置可以由多臺具備不同信號輸出功能的分立設備組成，也可以由單臺或少量集成度較高的綜合多功能校準設備組成。從標準配置成本、使用便捷性和計量發(fā)展趨勢看，后者是首選。國外主要產(chǎn)品有美國Fluke公司的5820A、9500B等多功能校準儀、美國泰克公司早期的TM504、CG5011等插件式或多功能集成校準設備。中國主要產(chǎn)品有江蘇南鋒公司的NF4608A、NF4609A、國營南華廠的SO3、SO6、NH4602（可程控）、中國計量院華電公司研制的POC-2（可程控）多功能校準儀以及中國航天科工集團有限公司研制的BM1302-1示波器校準儀等裝置。

目前，美國Fluke公司生產(chǎn)的9500B多功能校準儀是指標最高、功能最全的多功能校準設備，集成度高，單臺設備配接不同的有源探頭可方便地完成 6.4 GHz帶寬以下各類型數(shù)字示波器的計量，是國內(nèi)外各計量機構(gòu)在脈沖計量方面的主流配置[2]，但是9500B受限于其內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)，5個信號輸出通道的主功能信號無法并行同步輸出，計量過程僅能采取單通道逐一計量的方式進行，已經(jīng)成為進一步提高多通道數(shù)據(jù)采集類設備計量效率的瓶頸問題，F(xiàn)luke 9500B的計量保障能力和效率已不能滿足成百上千采集通道的數(shù)字示波器陣列的需求。

為實現(xiàn)數(shù)字示波器陣列并行高效校準，本文提出一種基于PXIe總線的數(shù)字示波器陣列并行校準裝置設計方案，該校準裝置可對1 GHz及以下最多5臺數(shù)字示波器同時進行校準，并且具有體積小、質(zhì)量輕、集成度高、方便外出攜帶和現(xiàn)場移動、計量保障針對性強和計量效率高等優(yōu)點。

1 軟硬件總體設計方案

在一些大型示波器陣列測試系統(tǒng)中，需要現(xiàn)場開展原位校準的數(shù)字示波器數(shù)量多達100臺，考慮數(shù)字示波器現(xiàn)場校準裝置設備體積、質(zhì)量、功耗以及實現(xiàn)的技術(shù)難度等因素，對5個數(shù)字示波器共25個校準通道，包括20個測量通道和5個外觸發(fā)通道的并行校準裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)進行總體設計。

為完成數(shù)字示波器現(xiàn)場校準，依據(jù)規(guī)程要求[3]，主要的校準項目包括直流增益和直流偏置、上升時間和時基、頻帶寬度和觸發(fā)靈敏度、輸入電阻等[4-5]。從實現(xiàn)上述校準項目的功能看，為滿足校準裝置有限信號及通路適應數(shù)字示波器陣列大量通道不同特性的要求，整個硬件系統(tǒng)應包含直流電壓、時標、穩(wěn)幅正弦波和快沿脈沖等4種基本信號的輸出功能以及電阻測量功能，因此數(shù)字示波器校準裝置必須具備直流電源模塊、快沿脈沖信號模塊和時標信號發(fā)生器模塊、穩(wěn)幅正弦信號發(fā)生器模塊信號輸出功能和數(shù)字多用表模塊。

在各模塊集成方面，由于PXIe系統(tǒng)具有抗干擾性強、高性能和可擴展性強等優(yōu)點，在工業(yè)自動化測試領(lǐng)域應用非常廣泛。可通過采用PXIe總線集成板卡的方式實現(xiàn)設備的模塊化設計，通過集成板卡的不同功能方便地實現(xiàn)獨立功能板卡的性能提升、功能和通道擴展以及儀器的系列化設計和生產(chǎn)。

本裝置采用PXIe總線技術(shù)進行設計，以裝置小型化、集成化為目標，進行硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計。為保證信號的并行輸出功能，將零槽控制器、5個直流電源模塊、數(shù)字多用表模塊和程控開關(guān)陣列模塊集成至PXI、PXIe混合背板，考慮各模塊的獨立和可維護性，將快沿模塊、穩(wěn)幅正弦波模塊通過串口與主機進行通信，最終將所有模塊集成到一個帶有12英寸液晶顯示屏的定制機箱中。示波器陣列標準裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 示波器陣列校準裝置結(jié)構(gòu)示意

在數(shù)字示波器校準過程中，直流增益和直流偏置項目校準點多、耗時長，為提升效率采用5路并行校準，硬件設計時通過5路直流源模塊實現(xiàn)。外觸發(fā)功能需要2路并行的穩(wěn)幅正弦波信號進行校準，硬件設計為2路并行輸出的穩(wěn)幅正弦信號發(fā)生器模塊，同時兼顧裝置體積和質(zhì)量。其余功能模塊均為單路設計。

根據(jù)圖1所示硬件系統(tǒng)框架，軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、各硬件模塊驅(qū)動程序和數(shù)字示波器陣列自動校準軟件系統(tǒng)4個部分。各硬件模塊驅(qū)動程序為校準系統(tǒng)軟件調(diào)用和儀器設置功能提供軟件接口，并通過PXI總線協(xié)議完成硬件資源的分配和控制，數(shù)字示波器自動校準軟件系統(tǒng)采用LabVIEW語言環(huán)境開發(fā)，采用并行校準技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字示波器陣列的高效校準。

2 主要功能模塊設計

2.1 功能模塊指標設計

從實現(xiàn)上述功能的硬件裝置看，示波器校準裝置必須具備直流電源模塊、快沿脈沖信號模塊、時標信號發(fā)生器模塊、穩(wěn)幅正弦信號發(fā)生器模塊和數(shù)字多用表模塊測量輸入電阻功能[6-7]。由于市面上已具有模塊化的直流電源模塊[8]、時標信號發(fā)生器模塊和數(shù)字多用表模塊產(chǎn)品，可直接在裝置中進行集成。本文主要針對穩(wěn)幅正弦波信號發(fā)生器模塊和快沿脈沖信號輸出模塊進行具體設計，為滿足1 GHz以下數(shù)字示波器校準功能，各模塊設計指標如表1所示。

表1 數(shù)字示波器陣列校準裝置功能模塊技術(shù)指標

Tab.1 Technical specifications of functional modules of digital oscilloscope array calibration device

模塊功能技術(shù)指標校準項目 直流信號輸出1MΩ負載時±（3mV～100V），50Ω負載時±（3mV～5V），最大允許誤差：±（0.2%+50μV）直流增益、直流偏置 正弦波信號輸出頻率1MHz～1GHz，5mV～5V，50Ω輸出，平坦度優(yōu)于±0.3dB頻帶寬度 快沿脈沖信號輸出上升時間80～150ps，幅度6mV～3V觸發(fā)靈敏度 時標信號輸出周期1ms/10ms/100ms，最大允許誤差：±1×10-6時基 電阻測量電阻：40Ω～2MΩ；最大允許誤差：±0.15%輸入電阻

在快沿脈沖信號輸出模塊中，主要解決在納秒級矩形脈沖基礎(chǔ)上的脈沖整形技術(shù)，從而達到150 ps脈沖上升時間的設計指標要求。脈沖整形原理如圖2所示，兩個隔離電路阻止直流偏置電流進入輸入和輸出端。由于階躍恢復二極管（Step Recovery Diode，SRD）具有大的存儲時間和極小的暫態(tài)時間，根據(jù)其特性，只有當SRD的阻抗開始增加時，輸出信號才開始上升，SRD截止時，輸出信號便開始跟蹤輸入信號。因此，輸出信號的上升時間減小后的值約等于SRD的暫態(tài)時間，從而達到整形目的。

圖2 脈沖整形原理

在正弦波信號輸出模塊中，主要解決穩(wěn)幅正弦信號產(chǎn)生技術(shù)。該技術(shù)的難點在于正弦信號的穩(wěn)幅控制，在1 MHz～1 GHz內(nèi)達到±0.5 dB的平坦度設計指標。通過穩(wěn)幅電路控制和校準修正相結(jié)合的方法實現(xiàn)。綜合考慮模塊的功能和特點，對整個功能模塊進行模塊化設計，系統(tǒng)可以分為4個部分，由控制單元、時基、頻率合成單元和幅度控制單元組成，如圖3所示。

圖3 穩(wěn)幅正弦信號發(fā)生器模塊原理

2.2 并行輸出結(jié)構(gòu)設計

考慮示波器現(xiàn)場校準裝置體積、質(zhì)量、功耗以及實現(xiàn)的技術(shù)難度等綜合因素，為實現(xiàn)5個數(shù)字示波器的并行校準功能，在計量裝置內(nèi)除了對信號源組進行設計外，還需對信號源組與被校數(shù)字示波器組之間的路由關(guān)系進行研究，即矩陣互聯(lián)開關(guān)組的拓撲結(jié)構(gòu)設計方法。其目標是實現(xiàn)信號源組，包括直流信號、快沿脈沖信號、時標信號、穩(wěn)幅正弦波信號以及數(shù)表測量功能，通過矩陣開關(guān)組均能與所有被校示波器通道進行連接，實現(xiàn)自由切換。

經(jīng)充分調(diào)研，選用5張射頻開關(guān)卡實現(xiàn)上述功能。通過PXIe總線接口對射頻開關(guān)卡進行控制，每張卡上有3個射頻多路復用開關(guān)，采用“分-總-分”3層結(jié)構(gòu)形式：第1層將信號通過分路開關(guān)分成5路；第2層將不同種信號匯總至一個開關(guān)；第3層將匯總后的信號分配至數(shù)字示波器的不同通道。標準裝置信號源組與示波器組的路由結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)字示波器并行校準開關(guān)結(jié)構(gòu)示意

3 并行校準軟件設計

并行校準是指校準系統(tǒng)能同時完成多項校準任務的一種技術(shù)[9]，包括一次同時對多個被測對象（Multiple Objects under Test，UUT）進行校準，或者同時運行一個UUT的多項校準任務，本文特指前者。區(qū)別于常規(guī)的串行校準，即在同一時刻只能對一個UUT進行校準，不同的UUT需要依次完成校準。以示波器為例，并行校準時各被校準示波器同設置、同采集、同讀數(shù)。

圖5為數(shù)字示波器并行校準軟件流程。校準裝置在使用時與被校數(shù)字示波器連接，直流電壓、快沿、穩(wěn)幅正弦波、時標信號和電阻測量功能由對應的模塊發(fā)出后，經(jīng)過機箱內(nèi)射頻開關(guān)路由，通過線纜與被校準數(shù)字示波器連接，在控制器上運行數(shù)字示波器并行校準軟件，各項目校準點及技術(shù)指標存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，通過讀取數(shù)據(jù)庫的方式實現(xiàn)按需校準過程。由于環(huán)境溫度對直流小電壓信號的影響比較明顯，因此在每次校準前，均需要對直流電壓信號完成自校準保證信號指標滿足要求。開關(guān)和線纜對穩(wěn)幅正弦波和電阻測量功能的影響相對固定，可采用預修正的方式，在每個溯源周期內(nèi)采用固定的修正值即可。

圖5 數(shù)字示波器并行校準軟件流程

數(shù)字示波器陣列并行校準的具體步驟為：

a）步驟1：校準裝置與被校數(shù)字示波器預熱。打開校準裝置和被校準數(shù)字示波器開關(guān)，控制預熱時間，對裝置進行預熱。預熱完成后，數(shù)字示波器進行自檢。

b）步驟2：直流電壓信號自校準。預熱完成后，依次將校準裝置的5路示波器輸出端的通道1連接至機箱背板上自校準端口，運行自校準程序，完成標準裝置直流電壓信號自校準，補償環(huán)境對直流小電壓信號的影響，保證線纜輸出終端的直流電壓信號滿足技術(shù)指標要求。

c）步驟3：校準裝置與被校數(shù)字示波器連接。在數(shù)字示波器陣列中選擇待校準數(shù)字示波器，最多選擇 5臺，將數(shù)字示波器與校準裝置信號輸出端進行對應連接。

d）步驟4：校準裝置對數(shù)字示波器校準。直流電壓信號自校準完成后，按照選擇的待校準數(shù)字示波器，在示波器陣列校準軟件上進行設置，讀取每臺示波器的IP地址，確保校準裝置與被校數(shù)字示波器通信正常。運行數(shù)字示波器陣列校準軟件，讀取數(shù)據(jù)庫文件獲得每臺數(shù)字示波器的校準項目和校準點，依次按照校準項目和對應的校準點對5臺數(shù)字示波器進行校準。

e）步驟5：校準完成后，保存校準結(jié)果，生成相應的原始記錄與校準證書。關(guān)閉校準裝置或繼續(xù)對數(shù)字示波器陣列其他數(shù)字示波器進行校準。

4 校準裝置功能及指標驗證

4.1 校準裝置功能驗證

為驗證數(shù)字示波器陣列校準裝置功能，在試驗現(xiàn)場選取5臺具有代表性的DPO4054B作為驗證對象。DPO4054B是典型的4通道500 MHz數(shù)字示波器，且同時具備高低阻功能，具備一定的代表性。選擇數(shù)字示波器陣列一區(qū)的5個DPO4054B數(shù)字示波器單元為校準對象執(zhí)行并行校準，和以往的順序串行校準進行用時比較。設計如下2組試驗：

a）第1組，并行、全項目校準和串行、全項目校準對比試驗，以考核并行校準的效率提升；

b）第2組，并行、按需校準和串行、全項目校準對比試驗，以考核并行、按需校準的綜合效率提升。

試驗結(jié)果顯示2組試驗的計量結(jié)果均符合被校數(shù)字示波器單元的技術(shù)指標要求，校準用時見表2，表2中計時為校準運行時間，不含校準前準備工作，如預熱和數(shù)字示波器自校準時間。

表2 五單元并行和串行校準用時統(tǒng)計表

Tab.2 Five unit parallel and serial calibration time statistics

校準項目統(tǒng)計項目并行按需校準并行全項目校準串行全項目校準 直流增益校準校準用時/min1.719.618.5×5 校準點數(shù)8×5100×5100×5 直流偏置校準校準用時/min2.913.713.3×5 校準點數(shù)24×5120×5120×5 頻帶寬度校準校準用時/min5.023.67.8×5 校準點數(shù)8×540×540×5 觸發(fā)靈敏度校準校準用時/min4.79.03.0×5 校準點數(shù)8×520×520×5 其他校準項目校準用時/min13.543.38.6×5 校準點數(shù)19×561×561×5 總用時/min27.8109.251.2×5 總校準點數(shù)69×5341×5341×5

如表2所示，對比并行、全項目校準和串行、全項目校準用時可以看出，以每5臺數(shù)字示波器為一組對象，并行校準效率為串行校準的2.3倍。對數(shù)字示波器陣列一區(qū)的DPO4054B數(shù)字示波器而言，按需校準比全項目校準點數(shù)減少了80%，結(jié)合并行校準的實現(xiàn)，綜合校準效率是原來的8.1倍，極大地縮短了校準用時。

4.2 校準裝置指標驗證

采用檢定（校準）法驗證校準裝置的主要指標，經(jīng)試驗，對該裝置4種基本信號輸出和電阻測量功能均進行了有效溯源，確認合格。穩(wěn)幅正弦波信號的試驗結(jié)果如圖6所示。圖6中，紅色虛線為誤差限，各通道實際校準結(jié)果均在誤差限范圍內(nèi)，穩(wěn)幅正弦波信號滿足技術(shù)指標要求。

快沿信號的試驗結(jié)果如圖7所示。圖7中，紅色虛線為誤差限，各通道實際校準結(jié)果均在誤差限范圍內(nèi)，快沿信號的試驗結(jié)果滿足技術(shù)指標要求。

目前實驗室已建立數(shù)字示波器陣列現(xiàn)場校準裝置工作標準，裝置如圖8所示，經(jīng)重復性、穩(wěn)定性考核驗證后，該裝置可滿足現(xiàn)場1 GHz以下數(shù)字示波器陣列并行校準的技術(shù)指標要求。

圖6 校準裝置穩(wěn)幅正弦波信號試驗結(jié)果

圖7 校準裝置快沿信號試驗結(jié)果

圖8 示波器陣列校準裝置

5 結(jié)束語

本文針對數(shù)字示波器快速高效的校準需求，對數(shù)字示波器并行校準裝置的軟硬件設計方法進行了研究。首先，研究示波器陣列校準裝置的總體結(jié)構(gòu)設計，采用PXIe總線實現(xiàn)控制器、直流板卡以及數(shù)表卡之間的通信，為保障模塊獨立性采用串口實現(xiàn)控制器與快沿模塊、穩(wěn)幅正弦波模塊的通信；其次，研究不同功能模塊的具體實現(xiàn)方式，為保證5種信號與被校示波器之間的連接，研究了開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的設計方法，采用分-總-分三級開關(guān)實現(xiàn)了5種信號與被校示波器各通道之間的自由切換；最后，通過設計試驗對校準裝置的功能和性能進行了考核，經(jīng)驗證，通過開關(guān)切換，5個示波器共25個通道均可與不同的功能模塊連接，實現(xiàn)了5個示波器的并行校準功能，并行按需校準比串行校準效率提升了8.1倍，本裝置可完成數(shù)字示波器陣列的現(xiàn)場高效校準。

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Digital Oscilloscope Parallel Calibration System based on PXIe Bus

SONG Jialing, LI Jian, GAO Yanjing, GUO Weimin

(Centre of Metrology and Measurement, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621000)

In order to improve the calibration efficiency of digital oscilloscopes, a software and hardware implementation method for parallel calibration of five digital oscilloscopes below 1GHz is proposed. According to the requirements of GJB 7691-2012 "verification regulation of digital oscilloscopes", each calibration channel of oscilloscopes should have four basic signal output functions: DC, time scale, amplitude stabilized sine wave, fast edge pulse and resistance measurements function. The module design of the four signal output functions and resistance measurement functions, the path design with the calibrated digital oscilloscope and the parallel calibration software design are the key points to realize the on-site efficient calibration. Firstly, the overall software and hardware scheme of the calibration device is designed. Secondly, the implementation methods of the main functional modules of the device and the design methods of the parallel calibration software are described in detail. Finally, through the design of parallel on-demand calibration, parallel calibration and serial calibration experiments, the experimental results show that this method can quickly and efficiently realize the parallel calibration of digital oscilloscopes.

digital oscilloscopes; parallel calibration; switch topology; field efficiency calibration

2097-1974(2023)02-0131-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230226

2022-08-22；

2023-03-16

TP311.52

A

宋佳玲（1990-），女，工程師，主要研究方向為計量測試技術(shù)。

李 建（1994-），男，工程師，主要研究方向為計量測試技術(shù)。

高巖晶（1983-），男，高級工程師，主要研究方向為計量測試技術(shù)。

郭偉民（1970-），男，高級工程師，主要研究方向為計量測試技術(shù)。