仪表的智能校准技术及方法林海波仪表的智能校准技术及方法Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ林海波 （长春工程学院电气与信息工程学院，长春１３００１２）摘要：介绍了采用ＭＣ６８ＨＣｌ ｌ Ｅ９单片机作为主芯片和较少的外围电路设计的数字多用表，对仪表的智能校准技术和实现方法进行了深人的研究，实现了高精度的Ａ／Ｄ转换，得到了高准确度的测量结果；阐述了利用智能校准技术设计智能仪器仪表的可行性和实现的技术路线。基于智能校准技术的数字多用表可以完成交流直流电压、电流的测量，也可以测量电阻、周期和频率，可以自动对测得的数据进行误差修正。关键词：智能化Ａ／Ｄ转换自校准自动切换量程中图分类号：ＴＰ２７３． ５文献标识码：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ＭＣ６８ＨＣＩ Ｉ Ｅ９ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｆｅｗｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ， Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗａｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎ－ｔｅｄ， ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｏｕｔｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ． Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＡＣ＆ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ， ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃａｎ ｂｅ ａｃ－ｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ． Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｒｅｖｉｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉｏｎ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｕｔｏ－ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎＡｕｔｏ－ｒａｎｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ０引言 此两次采样Ａ／Ｄ转换方案在精密测量仪器中得到了广泛的应用。图Ｉ是两次采样Ａ／Ｄ转换的简化原理图。 现在大部分智能仪表采用的微处理器都是８ ０３１或８０５１，这几种类型的微处理器用于智能化仪表时，需要扩展Ａ／Ｄ转换器和程序存储器；有的需要对１／０端口进行扩展；具有自校准功能的智能化仪表，还需扩展专门的ＥＥＰＲＯＭ，用以长期存放校准数据。这些都使智能化数字测量仪的电路结构复杂，生产、调试和维图１两次采样Ａ／Ｄ转换原理图 Ｆｉ ｇ． Ｉ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｗｉｃｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ修的难度很大。本设计以一片功能完善的ＭＯＴＯＲＯＬＡ在第一次采样过程中，由微处理器控制开关直接 公司ＭＣ６８ＨＣ１１ Ｅ９单片机〔１－２！作为主芯片，采用了较少的外围电路，设计了一种具有自动校准功能和自动量程转换功能的智能化测量仪表。对输人电压Ｖｘ进行Ａ／Ｄ变换，完成粗测；接着，在第二次采样过程中，微处理器控制开关动作，使模数转换电路转向测量第一次粗测时产生的误差值（放大１００倍），两次测量后的数据，由微处理器通过软件来处理。１．２两次采样Ａ／Ｄ转换的误差分析两次采样Ａ／ Ｄ转换由低精度的Ａ／Ｄ转换器来完成。对于一个２１ Ａ／Ｄ转换原理及误差分析１．１两次采样Ａ／Ｄ转换原理两次采样Ａ／Ｄ转换方案又称动态刻度扩展法〔 ３１，是一种能实现高精度Ａ／Ｄ转换的方案。该方案的特点是利用一个低精度的Ａ／Ｄ转换先对被测电压进行一次粗测，然后再精确地测出粗测时的误差值，最后将两次测量的结果按权相加，即可得到高准确度的测量结果。该方案的准确度依赖于一个具有更高准确度的Ｄ／Ａ转换器。由于实现一个高准确度的Ｄ／Ａ转换器要比实现一个同样准确度的Ａ／Ｄ转换器容易得多，因《自动化仪表》第２７卷第１２期２００６年１２月合位的理想Ａ／ Ｄ转换器来说，转换比ａ＝１００字／Ｖ，对于一个同样分辨率的理想Ｄ／ Ａ转换器来说，转换比ｙ ＝１． ０００ ０ ｖ／１００字。但是，一个实际的：冬位的Ａ／Ｄ转换器，在第一次采样时将被测电压”‘一２’一”‘－－一，、“、”“”一‘’夕、’一”‘’‘一”’一叭转换成数字量Ｍ，Ｍ和叭的关系为：‘、，］Ｖｘ二Ｍ／ａ＋０ Ｖ，、７苦内、〕仪表的智能校准技术及方法林海波通滤波以后，将产生与数字量Ｍ成比例的模拟电压成模拟电压Ｖａ Ｉ ＶＩ．和Ｍ的关系为：呱，蛛。经过运算放大器Ａ，和Ａ：后，经约３００ ｍｓ延时竹． ＝ ｙＭ＋△玖。（２）后将得到与第一次采样时的误差电压成正比的电压一个实际的高精度Ｄ／Ａ转换器将数字量Ｍ转换 式中：ＡＶ，为第一次采样时的误差电压；△玖。为Ｄ／ Ａ转换的误差。叭；第二次采样时，Ｋ，断开、ＫＺ接通，将电压叽送人Ａ／ Ｄ转换器，进行第二次采样，将ＶＯ转换成数字量Ｅ，微处理器根据Ｍ和Ｅ计算出最后的转换结果Ｖ，一次完整的转换结束。第二次采样时， 实际加到前置放大器的电压等于Ｖ、一Ｖ Ｊｅ，由于Ｍ／ａ ＝ ｙＭ，则：Ｖ、一Ｖ，． ＝ Ａ Ｖ，一△气ａ，为了突出问题的主要方面，假设前置放大器是理想的（设放大倍数为１００倍），则前置放大器的输出电压Ｖｏ为：２自动校准技术 首先求出总体的数学模型，即总体的输出量和输第二次采样时， Ａ／ Ｄ转换器将Ｖｏ转换成数字量人量之间的关系。根据找出的数学模型设计校准方Ｅ，同样有下面的转换关系式：法，借助校准方法测出总体误差，而不顾及每个单元１ ００（ＡＶ，一△Ｖａａ）二Ｅ／ａ＋ＡＶ， （４）的误差。每次利用外部基准进行校准时，微处理器将式中：Ａ ＶＺ是第二次采样时的误差电压。测出并且记住每个量程的实际工作特性偏离理想特在微处理器中将数字量Ｍ和Ｅ按权相加， 得到数性的误差值，这些值就作为校准参数存人ＥＥＰＲＯＭ字量Ｄ； Ｄ＝Ｍ＋Ｅ／１００ （５）中。每次测量数字量后，微处理器从ＥＥＰＲＯＭ中通过Ｄ算出新的数字量Ｄ／。即是准确的测量结 提取出有关的校准参数，根据专门的数学公式对测果：Ｄ／ａ二（Ｍ＋Ｅ／１００）／ａ （６）出的数字量进行误差修正，以获得准确的测量结果。将式（１）、 式（４）代人式（６），可计算出Ｄ／。与被限于篇幅，自校准过程的子程序流程图在此就不详测电压Ｖ的误差：细说明了。Ｄ／ａ ＝（Ｖｚ一ＡＶ，）＋（ＡＶ，一ＡＶ，。一ＡＶｚ／１００）Ｖ ＩＩ二１００（ Ｖ，一Ｖａ ）＝１００（ＡＶ，一△Ｖａ） （３） ００ 二Ｋ一Ａ长。一△长／１ （７）３．１测量原理从式（７）可知， 该系统总误差ＡＶ为：绝大多数的频率计采用的测频方法都是在固定的 ＡＶ二｝ △呱＋△砚／１００１计数门宽（一般为ｉｓ）中计数被测信号脉冲的个数。由此可见， 第一次采样时产生的误差△Ｖ、已经消周期的测量方法，是以被测信号的周期作为计数门宽，去，第二次采样时产生的误差则减少了１００倍，唯有计数在一个或几个信号周期中标准时钟脉冲的个数。Ｄ／Ａ转换的误差全部反映在最后的测量误差中。在采用这种测量技术的前提下，不论测量电路的精度１．３两次采样Ａ／Ｄ转换技术实现总会存在１一２个计数脉冲的误差。对于频率由上面推导可知， 精密Ｄ／ Ａ转换器是两次采样Ａ／Ｄ有多高，的测量，在频率较高时，１一２个信号脉冲的误差造成转换器的关键。本文采用的是脉冲宽度调制Ｄ／Ａ转换上述频率测量的方法是合适的；器（ＰＷＭＤＡＣ） １３＇，由于晶体振荡器频率的稳定性，脉的测量相对误差很小，而对于频率较低的情况，１一２个信号脉冲的误差将会冲宽度调制Ｄ／Ａ转换器具有极为优良的线性度，脉冲造成很大的相对误差，上述频率测量方法就不合适。宽度调制信号（ＰＷＭ）由软件产生。两次采样Ａ／Ｄ转换器的原理如图２所示。第一 ３频率和周期测量技术由于ｆ＝１／Ｔ，因此在被测信号频率较高时，测量其频率；频率较低时，测量其周期。然后经过相应的运算，得出频率或周期。在每次测量以前，先对被测信号进行一次粗测。如结果高于某一频率点，则测量频率；如结果低于某一频率点，则测量周期。３．２频率／周期测量转换点以频率测量为例计算， 设测量仪的最大误差为士２次采样时，开关Ｋ，接通、ＫＺ断开。单片机的Ａ／ Ｄ转换模块直接测量被测电压Ｖ，得到８位二进制的测量结果Ｍ。数字量Ｍ送人脉冲宽度调制Ｄ／Ａ转换器以后，得到脉宽为Ｐ，周期为Ｔ的ＰＷＭ信号，ＰＷＭ信号经低个计数脉冲，被测信号的频率为ｆｏ ， ｋＨｚ；周期为Ｔｏ ，［ｓ，即Ｔｏ ＝ １０６／ｆ。图２两次采样Ａ／Ｄ转换器原理图 Ｆｉｇ． ２ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｗｉｃｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ由于测量仪的最大误差为士２个计数脉冲，因此 可以推出频率测量的相对误差为：８－２／ｆ；而用周期ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｌ． ２７ Ｎｏ． １２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００６仪表的智能校准技术及方法林海波计算频率的相对误差是：Ｓ＂Ｔ一１ Ｔ处理器通过开关逻辑单元的控制下，将被测量统一转换成幅度在士２ Ｖ范围以内的直流电压。模／数转换Ｔｏ 于一、‘’Ｉ＇ｌｌ －一，、“、１份’一’，‘Ｊ一２’一”甲行Ｊ一”、一单元则将该电压转换成十进制；冬位的数字量。模／数转换采用新型的两次采样模／数转换技术。时参数输人单元随时将信号转换成方波信号，由操作者控制处理器是否对其进行测量。图４是仪表软件实现的主程序流程图。令５＝８ ＂，则可解出最佳的频率／周期转换点「‘〕。由：Ｔｏ＝１０６／ｆ１ Ｔｏ一１ Ｔ＂Ｔｏ 可得出：－ｆｌ，＋１＝在ｘ １０３ Ｈｚ－－＝１．４１ ｋＨｚ， 经过上述计算，得到最佳的频率／周期转换点约为１． ４１ ｋＨｚ。在误差允许的情况下，取ｌ． ２ ｋＨｚ作为实际的频Ｖ－周期转换点ｇＦ。在被测信号的频率高于Ｆｇ时，进行频率测量；在被测信号频率低于Ｆｓ时，进行周期测量。再根据ｆ＝１／Ｔ，得出频率或周期。在这种情况下，即使考虑晶体振荡器的频率误差以及相位误差（一般＜１０－１），在整个测量范围内的最大测量误差仍低于１％０．４总体设计实现 智能自校准测量仪是一个能测量直流电压、交流电压有效值、直流电流、交流电流有效值和电阻五个电参数的数字多用表；同时它又是一个能精确测量１ ｋＨｚ －－１ ＭＨｚ信号的频率和周期两个时参数的频率计。 在硬件电路的实现上，采用模块化的设计方法。整个电路被分为输人控制模块、显示模块、通信模块、电源模块和主电路模块５个模块。在控制面板上设计了专供自动校准使用的三档操作开关：“校零”、“测量”和“增益”。校准时，先将开关置“校零”档，输人零值，依次选择各项功能（电压／电流／电阻）的各个量程（１ －５档），仪器将自动完成一次零点校准。进行增益校准时，将开关置“增益”档，依次输人各功能各量程基准值，重复上述过程，仪器将自动完成各个刻度的校准。智能校准测量仪表实现原理如图３所示。电参数输人单元在操作者通过面板的直接控制和 数码管图３仪表实现原理图 Ｆｉｇ． ３ Ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ《自动化仪表》第２７卷第１２期２００６年１２月图４仪表实现主程序流程图Ｆｉｇ． ４ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｐｒ ｏｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ５结束语本设计采用功能丰富的ＭＣ６８ ＨＣ Ｉ １ Ｅ９单片机作为微处理器，使电路与其他同等功能、同等精度仪器的电路相比，外围电路大大简化。另外，本测量仪为标准的‘合位数字多用表，同日寸又是６位数显示的高精度频率计，测量范围达１ ｋＨｚ一１ ＭＨｚ，具有较高的性价比，可广泛应用于维修、科研等各种场合。参考文献１沙时亮．Ｍ６８ ＨＣ １１单片机原理、应用及技术手册仁Ｍ］．上海：复旦大学出版社， １９９２：１８２ －２１３．２谢瑞和，杨明．Ｍｏｔｏｒｏｌａ ６８ＨＣ０８微控制器与嵌人式系统基础 ［Ｍ飞．北京：清华大学出版社，２００３：１５０一１６１．３赵新民．智能仪器设计基础「Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１ ９８９：２２一２８，１０３一１０５，１３６一１４４，１８９一２０７４李文涛，王志春，王建国一种模糊变参数控制方法〔Ｊ］．自动化仪表， ２００４，２５（９）：１６一１８．修改稿收到日期： ２００６ －０７ －２３作者林海波，男，１ ９６８年生，２００３年毕业于长春理工大学仪器仪表专业，获硕士学位，副教授；主要从事电子信息工程和ＥＤＡ技术方面的教学和科研工作。
