CN114814698A - 一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法，首先根据模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器和校准所需标准仪器的通道数量配置矩阵开关，在校准过程中，对矩阵开关进行设置，连接待校准测试仪器和所需标准仪器的对应通道，使待校准测试仪器的所有通道进入并行状态，设置好校准参数后并行采集每个通道的实际值，分别判断每个通道是否校准完成，如果校准失败则重新设置参数，直至所有通道校准完成。本发明通过设置矩阵开关实现信号的自动切换功能，实现多通道同时自动校准方式，提高校准效率。

Description

一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法

技术领域

本发明属于仪器自动校准技术领域，更为具体地讲，涉及一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法。

背景技术

随着科技的发展待测设备的精度不断提高，使各领域对测试仪器的速度、准确度及测试功能等方面的要求也越来越高。测试仪器的准确性和稳定性受到自身硬件条件、外部环境等因素的影响，适当的校准方法能够弥补诸多因素所带来的误差，使其准确性有所提升。

测试仪器校准技术最初的形式主要依靠技术人员进行手动校准，技术人员需要具备较强的专业知识，需掌握标准测试仪器和待校准仪器的工作原理、操作方式以及所有校准过程。随着测试仪器领域的发展，测试仪器所具备的功能不断增多，使其需要校准的项目逐渐递增，同时也增加了手动校准的工作量，使校准时间越来越长，依靠技术人员手动操作的校准方式效率低下，显然已经无法满足大量测试仪器的批量生产和发展需求。随着不同接口总线在仪器领域的广泛应用，研究人员逐步开发出了具备远程控制功能的测试仪器，实现了各种测试仪器的自动控制，使得手动校准逐步转为自动模式，提高了工作效率。

目前，国内外各大仪器公司为了提高测试仪器的准确性和稳定性，均具有各自的自动校准技术。现有的方法是单通道依次进行校准，对于通道数少的独立测试仪器实用性强，如果用于通道数较多的综合测试仪器，校准效率将没有优势。多通道模拟信号综合测试模块集成了多种测试仪器，需要校准的仪器涉及了双通道示波器、八通道数字化仪、八通道任意波形发生器等，多种测试仪器使需要校准的项目增多，如果仍采用单通道依次校准方式，校准效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法，通过设置矩阵开关实现信号的自动切换功能，实现多通道同时自动校准，提高校准效率。

为了实现上述发明目的，本发明多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法包括以下步骤：

S1：记多通道模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器的数量为N，第n个待校准测试仪器的通道数量为k_n，n＝1,2,…,N，待校准测试仪器的总通道数量

对于N个待校准测试仪器，记第n个待校准测试仪器的k_n个通道在同时校准时所需的标准仪器集合为φ_n，求得N个待校准测试仪器的标准仪器集合φ_n的并集作为标准仪器集合Φ＝φ₁∪φ₂∪…∪φ_N，记标准仪器集合Φ中标准仪器数量为M，第m个标准仪器的通道数量为k_m，m＝1,2,…,M，标准仪器的总通道数量

配置K₁行K₂列矩阵开关，用于连接待校准测试仪器和标准仪器；

S2：当需要对多通道模拟信号综合测试模块中某个测试仪器进行校准时，确定该待校准测试仪器所有通道同时校准时所需的标准仪器，对矩阵开关进行设置，连接待校准测试仪器和所需标准仪器的对应通道，使待校准测试仪器的所有通道进入并行状态；

S3：对待校准仪器的进行校准需求分析，确定待校准项目集合A；对于待校准项目集合A中的每个待校准项目a，分别确定该校准项目的校准点，得到校准点集合B_a；

S4：从待校准项目集合A中选择一个待校准项目a，并将其从待校准项目集合A中删除；

S5：从待校准项目a的校准点集合B_a中选择一个校准点b，并将其从校准点集合B_a中删除；

S6：根据待校准项目a和校准点b对待校准测试仪器和测试所需标准仪器进行设置，控制标准仪器的输入或输出，对待校准测试仪器的所有通道并行采集每个通道的实际值；

S7：判断所有通道的实际值与理论值的误差是否位于预设误差范围内，如果是，则校准完成，进入步骤S9，否则校准失败，进入步骤S8；

S8：对于校准失败的通道调整其参数设置，重新采集该通道的实际值，返回步骤S7；

S9：判断校准点集合B_a是否为空，如果是，说明当前校准项目的所有校准点全部校准完成，进入步骤S10，否则返回步骤S5；

S10：判断待校准项目集合A是否为空，如果是，说明所有校准项目全部校准完成，本次校准结束，否则返回步骤S4。

本发明多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法，首先根据模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器和校准所需标准仪器的通道数量配置矩阵开关，在校准过程中，对矩阵开关进行设置，连接待校准测试仪器和所需标准仪器的对应通道，使待校准测试仪器的所有通道进入并行状态，设置好校准参数后并行采集每个通道的实际值，分别判断每个通道是否校准完成，如果校准失败则重新设置参数，直至所有通道校准完成。本发明通过设置矩阵开关实现信号的自动切换功能，实现多通道同时自动校准方式，提高校准效率。

附图说明

图1是本发明多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法的具体实施方式流程图；

图2是本实施例中矩阵开关的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法的具体步骤包括：

S101：配置矩阵开关：

记多通道模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器的数量为N，第n个待校准测试仪器的通道数量为k_n，n＝1,2,…,N，待校准测试仪器的总通道数量

对于N个待校准测试仪器，记第n个待校准测试仪器的k_n个通道在同时校准时所需的标准仪器集合为φ_n，求得N个待校准测试仪器的标准仪器集合φ_n的并集作为标准仪器集合Φ＝φ₁∪φ₂∪…∪φ_N，记标准仪器集合Φ中标准仪器数量为M，第m个标准仪器的通道数量为k_m，m＝1,2,…,M，标准仪器的总通道数量

配置K₁行K₂列矩阵开关，用于连接待校准测试仪器和标准仪器。

在实际应用中，可以根据实际需要对待校准测试仪器或标准仪器在矩阵开关中的通道进行复用，例如当待校准测试仪器包括数字化仪和任意波形发生器时，数字化仪和任意波形发生器在矩阵开关中的通道可以复用，从而简化矩阵开关的结构。

S102：配置待校准测试仪器和标准仪器：

当需要对多通道模拟信号综合测试模块中某个测试仪器进行校准时，确定该待校准测试仪器所有通道同时校准时所需的标准仪器，对矩阵开关进行设置，连接待校准测试仪器和所需标准仪器的对应通道，使待校准测试仪器的所有通道进入并行状态。一般来说，矩阵开关可以预先连接上位机，由上位机进行远程控制，以便在校准时进行设置。

S103：确定待校准项目集合：

对待校准仪器的进行校准需求分析，确定待校准项目集合A。对于待校准项目集合A中的每个待校准项目a，分别确定该校准项目的校准点，得到校准点集合B_a。

不同待校准仪器的待校准项目各不相同，例如示波器的待校准项目包括基线及移位非线性校准、增益校准、触发电平校准，数字化仪的待校准项目包括基线及移位非线性校准、增益校准，任意波形发生器的待校准项目包括直流零偏及增益校准、交流增益校准。

S104：选择待校准项目：

从待校准项目集合A中选择一个待校准项目a，并将其从待校准项目集合A中删除。

S105：选择校准点：

从待校准项目a的校准点集合B_a中选择一个校准点b，并将其从校准点集合B_a中删除。

S106：通道数据并行采集：

根据待校准项目a和校准点b对待校准测试仪器和测试所需标准仪器进行设置，控制标准仪器的输入或输出，对待校准测试仪器的所有通道并行采集每个通道的实际值。

S107：判断所有通道的实际值与理论值的误差是否位于预设误差范围内，如果是，则校准完成，进入步骤S109，否则校准失败，进入步骤S108。

S108：调整参数设置：

对于校准失败的通道调整其参数设置，对于校准失败的通道调整其参数设置，重新采集该通道的实际值，返回步骤S107。

S109：判断校准点集合B_a是否为空，如果是，说明当前校准项目的所有校准点全部校准完成，进入步骤S110，否则返回步骤S105。

S110：判断待校准项目集合A是否为空，如果是，说明所有校准项目全部校准完成，本次校准结束，否则返回步骤S104。

为了说明本发明的技术效果，采用一个具体实例对本发明进行说明。本实施例中多通道模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器包括示波器、数字化仪和任意波形发生器，其中示波器通道数为2，数字化仪通道数为8，任意波形发生器的通道数为8，所需的标准仪器包括4个2通道信号源和万用表。本实施例中将数字化仪和任意波形发生器在矩阵开关中的通道进行复用，因此设置10行9列的矩阵开关。图2是本实施例中矩阵开关的示意图。如图2所示，矩阵开关其中一端的接口接入不同待校准测试仪器的输入/输出端，另外一端的接口接入远程控制的标准仪器，通过控制矩阵开关中的继电器的通断就可以将信号传输至不同的端口，实现了不同仪器、不同通道之间的信号输入和输出，从而实现多通道同时校准。

接下来以八通道数字化仪校准中的增益校准为例，说明本发明校准过程。增益校准的校准原理是通过改变发送给DAC的控制字，以实现幅度的调节。本实施例中数字化仪具有八个通道、50Ω和1MΩ两种阻抗、五个垂直灵敏度档位，需要校准每一个通道、阻抗和垂直档位。所需标准仪器包括四台双通道任意波形发生器，通过矩阵开关保证八通道数字化仪每个通道均有输入信号，实现八通道同时校准功能。增益校准的具体过程如下：

(1)对于数字化仪的8个通道进行相关配置，使其进入并行采集状态；然后远程控制四台双通道任意波形发生器，使其输出1kHz的方波信号。

(2)设置增益校准项目在不同垂直档位的校准点。

(3)设置阻抗。

(4)设置垂直档位，根据当前档位控制任意波形发生器输出合适的幅值，控制矩阵开关使信号输入选择的所有通道，使所有通道并行采集波形数据，并获取每个通道的实际幅度值。

(5)分别判断所有通道的实际幅度值与理论值的误差是否满足要求，如果某通道实际幅度值在允许误差范围内，则该通道在当前阻抗、垂直档位下校准完成，进入步骤(7)，如果不满足则本次校准失败。

(6)对于校准失败的通道，通道实际幅度值超出允许误差范围且大于理论值，则减小DAC控制字，否则增大DAC控制字，向该通道重新发送DAC控制字，重新并行采集波形，获取实际幅度值，返回步骤(5)。

(7)判断所有垂直档位是否校准完成，如果未校准完，返回步骤(4)，如果已校准完，进入步骤(8)。

(8)判断所有阻抗是否校准完成，如果未校准完，返回步骤(3)，如果已校准完，则本次校准结束。

接下来对本实施例中多通道模拟信号综合测试模块中各个待校准测试设备分别采用单通道依次校准方式和多通道同步校准方式的时间进行理论分析。表1是本实施例中多通道模拟信号综合测试模块中各个待校准测试设备采用两种校准方式的时间对比表。

表1

其中的倍数关系取决于各仪器的通道数，校准所需总时间可用下式得出：

T_TOTAL＝T_CFG+T_CONTROL+T_CALI

式中，T_TOTAL为校准所有通道所需的总时间；T_CFG为所有通道配置的总时间；T_CONTROL为远程控制仪器的总时间；T_CALI为所有通道校准过程的总时间。

当示波器采用单通道依次校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝2t₁+2t₂+2t₃，其中T_CFG＝2t₁，T_CONTROL＝2t₂，T_CALI＝2t₃。当采用多通道同步校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝2t₁+t₂+t₃，其中T_CFG＝2t₁，T_CONTROL＝t₂，T_CALI＝t₃。与单通道依次校准方式相比，多通道同步校准方式节省了多次远程控制仪器的时间，节省了校准过程的时间，这两部分的时间仅为原来的1/2。由于示波器通道配置的时间远远小于远程控制仪器和校准过程的总时间，即t₁＜＜t₂且t₁＜＜t₃，理论上多通道同步校准的效率将提高近2倍。

当数字化仪采用单通道依次校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝8t₄+8t₅+8t₆，其中T_CFG＝8t₄，T_CONTROL＝8t₅，T_CALI＝8t₆。当采用多通道同步校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝8t₄+t₅+t₆，其中T_CFG＝8t₄，T_CONTROL＝t₅，T_CALI＝t₆。与单通道依次校准方式相比，多通道同步校准方式节省了多次远程控制仪器的时间，节省了校准过程的时间，这两部分的时间仅为原来的1/8。由于数字化仪通道配置的时间远远小于远程控制仪器和校准过程的总时间，即t₄＜＜t₅且t₄＜＜t₆，理论上多通道同步校准的效率将提高近8倍。

当任意波形发生器采用单通道依次校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝8t₇+8t₈+8t₉，其中T_CFG＝8t₇，T_CONTROL＝8t₈，T_CALI＝8t₉。当采用多通道同步校准方式时，校准所需总时间T_TOTAL＝8t₇+8t₈+t₉，其中T_CFG＝8t₇，T_CONTROL＝8t₈，T_CALI＝t₉。该校准过程中，受到标准仪器数量的限制，仅有一台万用表支持远程控制。所以，与单通道依次校准方式相比，多通道同步校准方式仅节省了校准过程的时间，该时间仅为原来的1/8。由于任意波形发生器通道配置的时间远远大于远程控制仪器和校准过程的总时间，即t₇＞＞t₈且t₇＞＞t₉，理论上多通道同步校准的效率仅在校准过程上得到了一定提升。

由以上分析可知，与单通道依次校准相比，实现多通道同步校准在工作效率上具有以下优势。

(1)节省了远程控制标准仪器的时间。例如，在数字化仪校准增益的过程中，当采用单通道依次校准时，各通道需要依次配置五个垂直档位，同时根据垂直档位远程控制任意波形发生器输出适当幅值的方波。在该校准模式下，依次校准八个通道需要远程控制标准仪器切换幅度值40次，且数字化仪具有两种阻抗，则标准仪器切换幅度值共需要80次。若采用八通道同时校准，每配置一个垂直档位，所有通道同步进行测量校准，该校准模式下，依次完成两种阻抗，八个通道仅需远程控制标准仪器切换幅度值10次。与单通道依次校准相比，八通道同时校准节省了大量远程控制标准仪器切换幅度值的时间。

(2)节省了等待校准过程的时间。基于硬件并行数据处理能力，实现单功能多通道同步校准。例如，在示波器校准过程中，选择双通道同时校准，通过软件配置实现多通道处于并行同步采集和存储的状态。若采用单通道依次校准，各通道将分别进行信号的采集和存储，可见基于并行模式下的校准方式，节省了等待其他通道采集和存储的时间。

(3)节省了人工干预的时间。在半自动单通道依次校准模式下，每个通道校准完成后，弹出切换通道的提示框，需要人为将信号接入不同通道，直到所有通道校准完成。在八通道同时校准模式下，通过控制矩阵开关实现了信号的自动切换，无需人工参与整个校准过程，节省了手动切换信号的时间。

为了验证以上理论分析，本实施例也对多通道模拟信号综合测试模块中各个待校准测试设备分别采用单通道依次校准方式和多通道同步校准方式的时间进行了实际测试。表2是本实施例中多通道模拟信号综合测试模块中各个待校准测试设备采用两种校准方式的时间对比表。

表2

如表2所示，多通道同步校准模式下所花费的时间大幅度的减少。

与单通道依次校准相比，示波器双通道同步校准的效率提高了1.5倍左右。由于同步校准涉及两个通道，每个通道硬件性能不同导致校准速度不同，所以最终完成时间取决于校准较慢的通道，实际提高的效率和理论上存在一定差异。

与单通道依次校准相比，数字化仪八通道同步校准的效率提高了3倍左右。同理，同步校准涉及八个通道，每个通道的校准速度不同，最终完成时间取决于校准较慢的通道，实际提高的效率和理论上存在一定差异。

对于任意波形发生器的校准，虽然校准效率的提升不及示波器和数字化仪，但和半自动校准相比，也节省了大量人工切换通道的时间。

综上所述，采用本发明可以有效节约多通道模拟信号综合测试模块的校准时间，从而提高校准效率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种多通道模拟信号综合测试模块的自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：记多通道模拟信号综合测试模块中待校准测试仪器的数量为N，第n个待校准测试仪器的通道数量为k_n，n＝1,2,…,N，待校准测试仪器的总通道数量

对于N个待校准测试仪器，记第n个待校准测试仪器的k_n个通道在同时校准时所需的标准仪器集合为φ_n，求得N个待校准测试仪器的标准仪器集合φ_n的并集作为标准仪器集合Φ＝φ₁∪φ₂∪…∪φ_N，记标准仪器集合Φ中标准仪器数量为M，第m个标准仪器的通道数量为k_m，m＝1,2,…,M，标准仪器的总通道数量

配置K₁行K₂列矩阵开关，用于连接待校准测试仪器和标准仪器；

S2：当需要对多通道模拟信号综合测试模块中某个测试仪器进行校准时，确定该待校准测试仪器所有通道同时校准时所需的标准仪器，对矩阵开关进行设置，连接待校准测试仪器和所需标准仪器的对应通道，使待校准测试仪器的所有通道进入并行状态；

S3：对待校准仪器的进行校准需求分析，确定待校准项目集合A；对于待校准项目集合A中的每个待校准项目a，分别确定该校准项目的校准点，得到校准点集合B_a；

S4：从待校准项目集合A中选择一个待校准项目a，并将其从待校准项目集合A中删除；

S5：从待校准项目a的校准点集合B_a中选择一个校准点b，并将其从校准点集合B_a中删除；

S6：根据待校准项目a和校准点b对待校准测试仪器和测试所需标准仪器进行设置，控制标准仪器的输入或输出，对待校准测试仪器的所有通道并行采集每个通道的实际值；

S7：判断所有通道的实际值与理论值的误差是否位于预设误差范围内，如果是，则校准完成，进入步骤S9，否则校准失败，进入步骤S8；

S8：对于校准失败的通道调整其参数设置，重新采集该通道的实际值，返回步骤S7；

S9：判断校准点集合B_a是否为空，如果是，说明当前校准项目的所有校准点全部校准完成，进入步骤S10，否则返回步骤S5；

S10：判断待校准项目集合A是否为空，如果是，说明所有校准项目全部校准完成，本次校准结束，否则返回步骤S4。

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