CN112557988A - 一种电压测量校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种体积小、成本低、精度高、兼容性强的电压测量校准系统及方法。本发明系统包括逻辑控制单元（1）、电压测量单元（2）、仪器测量系统（3）、存储单元（4）及上位机（5）；其方法步骤如下：步骤a.所述逻辑控制单元的DAC产生多个模拟电压；步骤b.分别通过电压测量单元（2）及所述仪器测量系统（3）读取电压值，所述上位机得到两组电压值；步骤c.经过计算，得到校准系数；步骤d.所述上位机（5）将得到的校准系数写入所述存储单元（4），然后利用校准系数分别对所述电压测量单元（2）的不同电压测量通道进行电压校准。本发明可应用于电子产品检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品检测领域，尤其涉及一种电压测量校准系统及方法。
背景技术
对电子产品而言，电压是衡量产品功能及性能的必备指标，所有产品都会要求测量产品电压。随着产品功能及性能的提升，逻辑电平及模拟电压趋于细分、多样化，为准确判断产品正常与否，就要求电压测量结果愈加精确。传统解决方案主要是使用Keysight34410A、Keysight 34420A等仪器测量电压大小。如图1。但标准仪器成本昂贵，不宜应用于批量生产的测试/测量设备中。
对于测试设备行业，现在的趋势是用模拟、数字电路实现电压测量功能，而非昂贵的标准仪器。用电路实现电压测量，为保证测量精度，需对电压测量系统进行校准。传统校准方法是使用标准电压源，对电压测量系统进行校准。如图2。
但上述方案却存在如下不足：标准电压源体积大，集成困难，已不适应于消费电子测试行业；为此，亟待设计出一种体积小、成本低、精度高、兼容性强的电压测量方案来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种体积小、成本低、精度高、兼容性强的电压测量校准系统及方法，该方法步骤简单，能够保证电压测量系统能够具有较高的精度。
本发明所述电压测量校准系统所采用的技术方案是：它包括逻辑控制单元、电压测量单元、仪器测量系统、存储单元及上位机，所述逻辑控制单元分别与所述电压测量单元、所述仪器测量系统、所述存储单元及所述上位机通信连接，所述仪器测量系统与所述上位机信号连接，
所述逻辑控制单元用于接收来自所述上位机的指令信号，采集所述电压测量单元和所述仪器测量系统上传的信号，向所述电压测量单元发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元中；
所述电压测量单元用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元及所述上位机发送来的信号，并向所述逻辑控制单元及所述上位机发送信号；
所述仪器测量系统用于与待测产品连接，测量待测产品的电压作为标准电压，并将测量到的电压值上传至所述上位机；
所述存储单元用于存储所述逻辑控制单元发送来的校准参数；
所述上位机用于向所述逻辑控制单元发送指令信号，接收所述逻辑控制单元及所述仪器测量系统上传的信号，计算系统的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元存储；
在对待测产品进行电压检测时，所述逻辑控制单元调用存储的校准系数，对所述电压测量单元检测到的电压进行校准并输出到所述上位机。
所述电压测量单元包括电压切换矩阵、分压电路矩阵及ADC，所述电压切换矩阵和所述分压电路矩阵组成若干个电压检测通道，每个电压检测通道通过设置不同的分压电阻而具有不同的电压系数。
所述ADC的型号为AD7175。
所述仪器测量系统包括依次连接的16路开关切换矩阵、通用校准板及仪器接口及标准仪器，所述16路开关切换矩阵提供16路电压开关，所述标准仪器输出标准电压值。
利用上述电压测量校准系统对电压测量单元进行校准的方法包括以下步骤：
步骤a.所述逻辑控制单元的DAC产生多个模拟电压；
步骤b.分别通过电压测量单元及所述仪器测量系统读取电压值，所述上位机得到两组电压值；
步骤c.经过计算，得到校准系数；
步骤d.所述上位机将得到的校准系数写入所述存储单元，然后利用校准系数分别对所述电压测量单元的不同电压测量通道进行电压校准。
所述步骤c中，计算校准系数的具体步骤为：
步骤c1.通过所述上位机向所述逻辑控制单元发送指令，所述逻辑控制单元产生全电压段模拟电压输出；
步骤c2.按照设定的电压步进依次分别采集所述电压测量单元及连接到所述仪器测量系统上的标准仪器读取到的电压值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电压步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤c3.在步骤c2得到的曲线上，将曲线上出现明显拐点的位置作为电压校准的分段点；
步骤c4.在各电压分段内，通过所述上位机向所述逻辑控制单元发送指令，所述逻辑控制单元产生设定步进的模拟电压输出；
步骤c5.分别采集所述电压测量单元、连接到所述仪器测量系统上的标准仪器读取到的电压值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤c6.选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机通过指令将K,B的值写入所述存储单元作为校准系数。
所述步骤c2和步骤c4中，设定的电压步进为50mv、100mv、150mv或200mv。
本发明的有益效果是：本发明中，所述逻辑控制单元的DAC产生多个模拟电压，分别通过电压测量单元及所述仪器测量系统读取电压值，所述上位机得到两组电压值，经过计算，得到校准系数，所述上位机将得到的校准系数写入所述存储单元，然后利用校准系数分别对所述电压测量单元的不同电压测量通道进行电压校准；电压测量单元根据电压的不同，将待测点分配于不同通道，以此区分高、低压测量（高压通道分压系数大，低压通道无分压），以此实现最小精度损失的广电压范围测量；仪器测量系统涵盖电压测量单元八组通路的典型输入，并预留电压通道，增加了校准的灵活性，标准仪器随插随校，系统搭建简洁；通过将校准数据存储于存储单元中，在进行校准时直接调用即可，使输出的电压精度更高。
附图说明
图1是现有技术中采用标准仪器进行电压校准测量的简易系统框图；
图2是现有技术中采用标准电压源进行电压校准测量的简易结构框图；
图3是本发明系统的简易结构框图；
图4是所述电压测量单元的简易结构框图。
具体实施方式
本发明的具体如下。
如图3和图4所示，本发明包括逻辑控制单元1、电压测量单元2、仪器测量系统3、存储单元4及上位机5，所述逻辑控制单元1分别与所述电压测量单元2、所述仪器测量系统3、所述存储单元4及所述上位机5通信连接，所述仪器测量系统3与所述上位机5信号连接。所述逻辑控制单元1用于接收来自所述上位机5的指令信号，采集所述电压测量单元2和所述仪器测量系统3上传的信号，向所述电压测量单元2发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元4中；在本实施例中，逻辑控制单元1主要由FPGA、MCU及其外围电路构成。其中，FPGA的型号为ZYNQ-AX7020。
所述电压测量单元2用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元1及所述上位机5发送来的信号，并向所述逻辑控制单元1及所述上位机5发送信号。所述电压测量单元2包括电压切换矩阵21、分压电路矩阵22及ADC 23，所述电压切换矩阵21和所述分压电路矩阵22组成若干个电压检测通道，每个电压检测通道通过设置不同的分压电阻而具有不同的电压系数。其中，所述ADC 23的型号为AD7175。电压切换、分压矩阵主要由运放、电子开关、分压电阻构成，通过选择不同电子开关作为输入，会有不同分压系数，可灵活选择。对校准而言，每组分压，只需选择一路电压校准得出系数，这个系数适用于同组其它电压。
所述仪器测量系统3用于与待测产品连接，测量待测产品的电压作为标准电压，并将测量到的电压值上传至所述上位机5。所述仪器测量系统3包括依次连接的16路开关切换矩阵31、通用校准板及仪器接口32及标准仪器33，所述16路开关切换矩阵31提供16路电压开关，所述标准仪器33输出标准电压值。所述16路开关切换矩阵31和所述通用校准板及仪器接口32构成校准电路，校准电路的输入，涵盖设备测量系统八组通路的典型输入，并预留电压通道，增加校准的灵活性。标准仪器随插随校，系统搭建简洁。其中，标准仪器33选自型号为34410A、34420A的仪器进行电压读取。
所述存储单元4用于存储所述逻辑控制单元1发送来的校准参数；通过调用校准参数，输出更精确的测量结果。所述上位机5用于向所述逻辑控制单元1发送指令信号，接收所述逻辑控制单元1及所述仪器测量系统3上传的信号，计算系统的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元4存储。在对待测产品进行电压检测时，所述逻辑控制单元1调用存储的校准系数，对所述电压测量单元2检测到的电压进行校准并输出到所述上位机5。
本发明方法步骤如下：
步骤a.所述逻辑控制单元的DAC产生多个模拟电压；
步骤b.分别通过电压测量单元2及所述仪器测量系统3读取电压值，所述上位机得到两组电压值；
步骤c.经过计算，得到校准系数；
步骤d.所述上位机5将得到的校准系数写入所述存储单元4，然后利用校准系数分别对所述电压测量单元2的不同电压测量通道进行电压校准。
上述步骤c中，计算校准系数的具体步骤为：
步骤c1.通过所述上位机5向所述逻辑控制单元1发送指令，所述逻辑控制单元1产生全电压段模拟电压输出；
步骤c2.按照设定的电压步进依次分别采集所述电压测量单元2及连接到所述仪器测量系统3上的标准仪器读取到的电压值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电压步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤c3.在步骤c2得到的曲线上，将曲线上出现明显拐点的位置作为电压校准的分段点；
步骤c4.在各电压分段内，通过所述上位机5向所述逻辑控制单元1发送指令，所述逻辑控制单元1产生设定步进的模拟电压输出；
步骤c5.分别采集所述电压测量单元2、连接到所述仪器测量系统3上的标准仪器读取到的电压值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤c6.选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机5通过指令将K,B的值写入所述存储单元3作为校准系数。
所述步骤c2和步骤c4中，设定的电压步进为50mv、100mv、150mv或200mv。
本发明电压测量、校准范围宽：可测量0.1V～23V电压；测量精度高：采用24 bitADC，待测电压小于5V时，精度可达±1‱±1mV；电压大于等于5V时，精度可达±1‰±1mV；集成度高，系统灵活，可扩展；此方案应用于多种主板测试设备中，并成功量产。
以下是本发明的试验结果数据列表。各个表格中的项目意思表示如下：
Voltage_1～Voltage_8表示电压测量通道；
Before RawData表示校准前测得的原始数据；
measure(V)表示电压测量单元测得的电压值；
agilent(V)表示标准仪器测得的电压值；
measure(V)- agilent(V)表示电压测量单元测得电压与标准仪器测得电压的差值；
Error表示测量值的误差；
gain表示校准系数的增益；
offset表示校准系数的偏置；
After RawData表示调用校准系数后，测得的原始数据。
1、高电压数据：
未校准前，电压测量数据如表1所示。
表1
系统计算校准参数如表2所示。
表2
设备测试系统调用校准参数，得到电压测量结果如表3所示。
表3
2、低电压数据：
未校准前，电压测量数据如表4所示。
表4
系统计算校准参数如表5所示。
表5
设备测试系统调用校准参数，得到电压测量结果如表6所示。
表6
经过上述校准过程可见，本发明系统体积小、成本低、移植方便、集成简单，对电压测量校准范围广，校准后电压测量精度高，适用于消费类电子产品测试领域。
Claims (7)
1.一种电压测量校准系统，其特征在于：该系统包括逻辑控制单元（1）、电压测量单元（2）、仪器测量系统（3）、存储单元（4）及上位机（5），所述逻辑控制单元（1）分别与所述电压测量单元（2）、所述仪器测量系统（3）、所述存储单元（4）及所述上位机（5）通信连接，所述仪器测量系统（3）与所述上位机（5）信号连接，
所述逻辑控制单元（1）用于接收来自所述上位机（5）的指令信号，采集所述电压测量单元（2）和所述仪器测量系统（3）上传的信号，向所述电压测量单元（2）发送控制信号，并将校准系数存储到所述存储单元（4）中；
所述电压测量单元（2）用于连接待测产品，向待测产品供电，接收所述逻辑控制单元（1）及所述上位机（5）发送来的信号，并向所述逻辑控制单元（1）及所述上位机（5）发送信号；
所述仪器测量系统（3）用于与待测产品连接，测量待测产品的电压作为标准电压，并将测量到的电压值上传至所述上位机（5）；
所述存储单元（4）用于存储所述逻辑控制单元（1）发送来的校准参数；
所述上位机（5）用于向所述逻辑控制单元（1）发送指令信号，接收所述逻辑控制单元（1）及所述仪器测量系统（3）上传的信号，计算系统的校准系数，并将校准系数发送至所述存储单元（4）存储；
在对待测产品进行电压检测时，所述逻辑控制单元（1）调用存储的校准系数，对所述电压测量单元（2）检测到的电压进行校准并输出到所述上位机（5）。
2.根据权利要求1所述的一种电压测量校准系统，其特征在于：所述电压测量单元（2）包括电压切换矩阵（21）、分压电路矩阵（22）及ADC（23），所述电压切换矩阵（21）和所述分压电路矩阵（22）组成若干个电压检测通道，每个电压检测通道通过设置不同的分压电阻而具有不同的电压系数。
3.根据权利要求2所述的一种电压测量校准系统，其特征在于：所述ADC（23）的型号为AD7175。
4.根据权利要求2所述的一种电压测量校准系统，其特征在于：所述仪器测量系统（3）包括依次连接的16路开关切换矩阵（31）、通用校准板及仪器接口（32）及标准仪器（33），所述16路开关切换矩阵（31）提供16路电压开关，所述标准仪器（33）输出标准电压值。
5.利用如权利要求1所述的一种电压测量校准系统对电压测量单元进行校准的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤a.所述逻辑控制单元的DAC产生多个模拟电压；
步骤b.分别通过电压测量单元（2）及所述仪器测量系统（3）读取电压值，所述上位机得到两组电压值；
步骤c.经过计算，得到校准系数；
步骤d.所述上位机（5）将得到的校准系数写入所述存储单元（4），然后利用校准系数分别对所述电压测量单元（2）的不同电压测量通道进行电压校准。
6.根据权利要求5所述的电压校准方法，其特征在于，所述步骤c中，计算校准系数的具体步骤为：
步骤c1.通过所述上位机（5）向所述逻辑控制单元（1）发送指令，所述逻辑控制单元（1）产生全电压段模拟电压输出；
步骤c2.按照设定的电压步进依次分别采集所述电压测量单元（2）及连接到所述仪器测量系统（3）上的标准仪器读取到的电压值，将两组值分别作为XY坐标系的X、Y轴的值，在每个电压步进的末端点取X、Y值，得到X、Y象限内的相交点，将得到的相交点用线依次连接起来，得到一条曲线；
步骤c3.在步骤c2得到的曲线上，将曲线上出现明显拐点的位置作为电压校准的分段点；
步骤c4.在各电压分段内，通过所述上位机（5）向所述逻辑控制单元（1）发送指令，所述逻辑控制单元（1）产生设定步进的模拟电压输出；
步骤c5.分别采集所述电压测量单元（2）、连接到所述仪器测量系统（3）上的标准仪器读取到的电压值，采集的数据通过最小二乘法公式Y=KX+B计算出斜率K和偏置B；
步骤c6.选取落在0.95～1.05的值作为斜率K的值，斜率K和偏置B无误后，所述上位机（5）通过指令将K,B的值写入所述存储单元（3）作为校准系数。
7.根据权利要求6所述的电压校准方法，其特征在于，所述步骤c2和步骤c4中，设定的电压步进为50mv、100mv、150mv或200mv。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210326 |