一种实现数字示波器阵列并行的校准系统

技术领域

本发明涉及示波器校准技术领域，尤其涉及一种实现数字示波器阵列并行的校准系统。

背景技术

数字示波器是应用最广泛的时域测量仪器，在一些大型物理诊断平台或大型综合测试控制台中，数字示波器的四个采集通道通常不能满足测试需求，于是将数十上百台数字示波器通过局域网组成数字示波器阵列测试系统，完成对大型试验装置众多电参数和物理参数的直接或间接的多通道准确测量，为装置的研制、性能确定和实验调试提供可靠、必要的依据。

数字示波器的计量标准装置方面，从项目完整性讲，目前的计量装置基本可以完成一定带宽范围内(20GHz)数字示波器的全项目计量，但均是采用的单一逐台逐通道方式，即串行、单路的工作模式。此类计量装置可以由多台具备不同信号输出功能的分立设备组成，也可以由单台或少量集成度较高的综合多功能校准设备组成，从标准配置成本、使用便捷性和计量发展趋势看，后者是首选，国外主要产品有美国FULKE公司的5820A、9500等多功能校准仪，美国泰克公司早期的TM504、CG5011等插件式或多功能集成校准设备；国内主要产品有江苏南锋公司的NF4608A、NF4609A等，国营南华厂的SO3、SO6、NH4602(可程控)等，中国计量院华电公司研制的POC-2(可程控)多功能校准仪。

目前，美国FULKE公司生产的9500多功能校准仪是目前世界上指标最高、功能最全的多功能校准设备，是一款集成度较高的多功能校准设备，单台设备配接不同的有源探头可方便的完成6.4GHz带宽以下数字示波器的校准，是国内外各大型计量结构在脉冲计量方面的主流配置。但是9500受限于其内部的硬件结构，5个信号输出通道的主功能信号无法并行同步输出，计量过程仅能采取单通道逐一计量的方式进行，已经成为进一步提高多通道数据采集类设备计量效率的瓶颈问题，对动辄成百上千采集通道的数字示波器阵列而言，9500的校准能力和效率已经显得疲软。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种实现数字示波器阵列并行的校准系统，解决了现有校准设备存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种实现数字示波器阵列并行的校准系统，它包括信号源组输出模块、电阻测量模块、开关拓扑结构和控制装置；

所述信号源组输出模块用于输出稳幅正弦波信号、时标信号、快沿信号和直流电压信号，并通过线缆和所述开关拓扑结构达到机箱信号输出端；

所述电阻测量模块用于进行电阻测量，对数字示波器输入电阻进行校准，并通过线缆和所述开关拓扑结构达到机箱信号输出端；

所述控制装置内置有并行校准软件，实现对各个模块和被校准数字示波器进行控制，在显示器上运行并行校准软件，完成对数字示波器阵列的并行按需校准。

所述信号源组输出模块包括直流单元、时标单元、稳幅正弦波单元和快沿脉冲单元；

所述直流单元通过PXIe总线接口进行控制，实现五路并行输出直流电压信号的功能，为校准数字示波器直流偏置和直流增益提供直流电压信号；

所述时标单元实现单路输出时标信号的功能，用于数字示波器时间基准的校准；

所述稳幅正弦波单元实现两路并行输出稳幅正弦波的功能，用于数字示波器频带宽度和触发灵敏度的校准；

所述快沿脉冲单元实现单路输出快沿信号的功能，用于数字示波器上升时间的校准。

所有模块均集成在机箱内的三层结构中，上层放置所述信号源组输出模块，中层为PXIe机笼，机笼内插有直流卡、射频开关卡、电阻测量模块和控制装置，下层放置供电电源模块，具有体积小、重量轻、集成度高便于携带的特点

对信号源组的路由线路按照分-总-分的原则，利用3张射频开关卡共15个射频开关，分三级实现所述正弦波信号、时标信号、快沿信号、直流电压信号和电阻测量单元与被校准数字示波器各通道的自由连接。

所述分三级实现所述正弦波信号、时标信号、快沿信号、直流电压信号和电阻测量单元与被校准示波器各通道的自由连接包括：

通过拆分切换第一级射频开关分别将所述快沿信号、时标信号、两路正弦信号输出到第二级射频开关；第二级射频开关将第一级射频开关拆分的各种信号汇总到一个开关上，实现每个第二级射频开关均能输出所述正弦波信号、时标信号、快沿信号、直流电压信号和电阻测量信号；第三级射频开关将汇总后的信号依次对应输入到示波器的各个通道，使每个示波器通道均具有所述正弦波信号、时标信号、快沿信号、直流电压信号和电阻测量单元的输入功能，完成对数字示波器阵列的校准。

采用实时修正的方法对由于环境变化造成所述直流电压信号的影响进行修正，以及采用预修正的方法对由于开关线缆对所述稳幅正弦波信号衰减和电阻测量准确度的影响进行修正。

所述采用实时修正的方法对由于环境变化造成所述直流电压信号的影响进行修正包括：

根据示波器阵列的按需校准要求对使用直流电压信号的校准项目实现直流增益和直流偏置，对数字示波器阵列中所有示波器型号使用的直流电压信号进行统计，确定拟校准的直流电压点，创建相应的校准点数据库；

在每次对示波器阵列进行校准之前将校准系统的直流电压信号输出端通过50Ω负载连接到校准系统的数表模块电压测量端，进行自校准硬件连接；根据待校准的示波器型号，调取相应的校准点数据库文件，并打开并行自校准软件控制电源板卡和开关拓扑结构的开关路由对直流电压信号输出端的电压进行测量，通过校准公式对直流电压信号进行补偿，并重新测量补偿后的信号，直到该信号满足直流电压信号的指标要求后将此次修正值保存到校准点数据库中；

打开并行自校准软件调用修正值数据库文件，利用数据库文件中直流电压信号的修正值校正示波器直流增益和直流偏置项目，实现实时修正和按需校准。

所述采用预修正的方法对由于开关线缆对所述稳幅正弦波信号衰减和电阻测量准确度的影响进行修正包括：

稳幅正弦波功率修正方法为：利用功率计获取稳幅正弦波单元不同频率和电压幅度下输出端的稳幅正弦波功率，通过网络分析仪获取开关拓扑结构和电缆的衰减量后与参考点的幅值和功率进行比较，获得不同频率下经过修正后，稳幅正弦波单元输出最终幅值信号；

按照数字示波器校准选点要求确定稳幅正弦波校准点幅值，通过功率计逐一对两路并行输出的稳幅正弦波单元信号输出端分别进行校准，依次获得稳幅正弦波单元的输出功率。

直流电阻测量准确度修正方法为：选择指标和阻值已知的标准电阻，利用电阻测量板卡测量通过线缆和开关拓扑结构后标准电阻的阻值；将该板卡读数与标准电阻阻值比较获得经过开关拓扑结构后接口端电阻测量修正值；由于该修正值是确定的，通过编程的方式，将影响量进行预修正，确保直流电阻测量功能满足技术指标的要求。

本发明具有以下优点：一种实现数字示波器阵列并行的校准系统，可实现五台示波器合计25个示波器通道并行校准功能，硬件具有四种基本信号输出模块和电阻测量功能，通过切换路由开关实现信号源组与示波器组的自由切换。由于直流增益和直流偏置的校准点个数比较多，针对直流信号采用五路并行的校准模式可大大提高计量效率，该校准系统具有体积小、重量轻、集成度高、方便外出携带和现场移动、计量保障针对性强和计量效率高等优点。

附图说明

图1为时基校准程序流程图；

图2为上升时间校准程序流程图；

图3为本发明的开关路由结构示意图；

图4为直流电压信号衰减示意图；

图5为直流电压信号实时修正流程图；

图6为数字示波器单元1各通道直流电压信号校准结果示意图；

图7为稳幅正弦波信号衰减示意图；

图8为稳幅正弦波信号修正示意图；

图9为数字示波器单元1各通道稳幅正弦波信号验证结果示意图；

图10为整体校准方法流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明涉及一种基于开关拓扑结构的数字示波器阵列并行校准系统，具体包括设置在机箱内部的供电电源、直流电压、时标、稳幅正弦波、快沿脉冲四种基本信号输出模块、电阻测量模块、开关拓扑结构、并行校准软件、显示器、控制系统等。四种基本信号和电阻测量模块通过线缆和开关拓扑结构到达机箱信号输出端，与被校数字示波器进行连接，控制系统对各个模块和被校数字示波器进行控制，在显示器上运行并行校准软件，完成对数字示波器阵列的并行按需校准。

其中，机箱内部包括三层结构，上层放置稳幅正弦波、时标、快沿脉冲信号输出模块；中间为PXIe机笼，机笼内插直流卡、开关卡、电阻测量模块和控制器；下层放置供电电源模块；左右两侧为散热风扇和把手；前面为显示器；背面为校准输出端、直流信号自校准端和网口端。

进一步地，PXIe机笼采用PXI和PXIe混合总线背板，兼容标准PXI和PXIe模块，对五张直流卡、五张射频开关卡、一张数表卡和一个零槽控制器系统集成和控制。零槽控制器对PXIe机笼内板卡进行控制，利用USB和串口对外部稳幅正弦波模块、时标模块和快沿脉冲模块进行控制和通信，利用网口对被校数字示波器进行控制，同时为编写并行校准软件提供硬件平台。供电电源模块为PXIe机笼和稳幅正弦波、快沿脉冲模块供电，具有3.3V、5V、±12V、±15V电压输出端，总功率最大为750W，电压调整率为≤0.1％，负载调整率为≤3％。信号输出端为双头SMA不锈钢座，一端连接机箱内部的微波开关卡，另一端固定在机箱背面。排列结构为5×5的矩阵，每列与被校5台示波器对应，每行与示波器的5个通道对应。散热风扇用于控制机箱内部温度，机笼两端设置2组共4个风扇，保证机笼内部的散热效率，使机箱内外空气温差控制在10℃以下。

进一步地，如图1所示，稳幅正弦波模块具有两路并行输出稳幅正弦波功能，控制器通过USB进行控制，用于数字示波器频带宽度和触发灵敏度项目的校准，频率范围为：900kHz～1.1GHz，幅度范围为：5mVp-p～5Vp-p。时标模块具有单路输出时标信号功能，控制器通过串口进行控制，用于数字示波器时基项目的校准，周期：1μs～1s，最大允许误差：±2.5×10

如图2所示，快沿脉冲模块具有单路输出快沿信号功能，控制器通过串口进行控制，用于数字示波器上升时间项目的校准，幅度范围：6mV～3V，上升时间：不大于120ps；过冲：不大于20％。进行上升时间项目校准时，首先，运行并性校准软件读取校准按需数据库中的校准幅度点，控制快沿模块依次发出快沿信号，然后通过控制图1中的开关路由结构，将该信号输入至对应的数字示波器校准通道中，读取数字示波器上的显示读数完成校准；

电阻测量模块通过PXI总线接口进行控制，具有电阻测量功能，对数字示波器输入电阻进行校准，最大允许误差：±0.3％。直流模块通过PXIe总线接口进行控制，具有五路并行输出直流电压信号功能，为校准数字示波器直流偏置和直流增益项目提供直流电压信号，直流电压范围：0V～200V，600mV量程，误差限：±(0.020％读数+50μV)。

如图3所示，对信号源组的路由线路按照基于分—总—分的原则进行设计，利用五张射频开关卡共15个射频开关，分三级实现5种信号与被校示波器各通道的自由连接。第一级射频开关将快沿信号、时标信号、两路正弦信号以及数表测量功能拆分，也就是通过切换第一级射频开关，实现在六通道信号的输出功能；第二级射频开关将第一级开关拆分的各种信号汇总至一个开关上，也就是每一个二级射频开关上均具备五种信号的输出功能；第三级射频开关将汇总后的信号依次对应到示波器的各个通道，使每个示波器通道均具有五种信号的输入功能，完成对示波器的校准。

如图4所示，采用实时修正方法，可对由于环境变化对直流小电压信号的影响进行修正。

直流电压信号是由直流板卡发出，通过开关拓扑结构和线缆至示波器单元的各个通道，由于开关拓扑结构和线缆电阻的影响，信号会出现衰减。当示波器输入电阻为1MΩ时，该影响量较小，可忽略不计，当示波器输入电阻为50Ω，且直流电压为小电压信号时，该衰减对信号影响也会愈发明显。因此需研究当负载电阻为50Ω时，直流电压通过开关拓扑结构和电缆后信号衰减规律，对衰减信号进行修正，最终确保校准装置信号输出端直流电压信号满足技术指标要求。

直流电压由直流电源板卡通过线缆1至开关拓扑结构进行自由切换，再通过线缆2由开关拓扑结构至示波器单元的各个通道。因此，直流电压信号衰减主要包括三个部分，分别是两段线缆衰减和开关衰减。在实验过程中发现，小电压信号(如3mV)随着环境变化信号影响较大，直接通过预修正的方式不能完全满足实验现场环境的要求，但在当次环境条件下其衰减量是较为确定的，即系统误差为主，因此可采用实时修正的方式提高直流电压信号准确度。

如图5所示，实时修正方法的思路是：将校准装置通过开关拓扑结构和线缆输出到被校示波器的多路直流电压信号，在开展校准前，利用校准装置自身的数表模块的高准确度电压测量功能进行到达示波器端口的电压测量，以该值作为准确的直流电压量值，其好处是考虑了每次更换电缆带来的差异。校准装置通过开关路由结构的切换可实现五个不同型号示波器的并行校准，由于不同型号示波器校准点的差异，需要针对每个型号的不同量值点分别进行自校准实时修正。针对同一示波器型号的不同通道，根据开关拓扑结构的设计原则，每个示波器单元的各个通道通过的开关拓扑结构完全一样，仅与当时环境有关，因此每次实时校准单通道。

首先，根据示波器阵列的按需校准要求，对使用直流信号的校准项目直流增益和直流偏置，示波器阵列中所有示波器型号使用的直流信号点进行统计，确定拟校准的直流电压点，创建相应的校准点数据库；

其次，在每次对示波器阵列进行现场校准之前，将校准装置直流信号输出端通过50Ω负载连接至校准装置数表模块电压测量端，进行自校准硬件连接；根据待校准的示波器型号，调取相应的校准点数据库文件；打开自校准软件，控制电源板卡和相应的开关路由，对信号输出端的电压进行测量，利用校准公式对直流信号进行补偿，补偿后对信号重新进行测量，确定该信号满足直流信号技术指标要求，并将此次修正值保存至数据库；

最后，打开数字示波器阵列校准软件，调用修正值数据库文件，利用数据库文件中直流信号的修正值校准示波器直流增益和直流偏置项目，实现实时修正和按需校准。

如图6所示，示波器单元1的CH1～CH4直流信号验证结果，黑色实线代表采用修正值后直流信号各幅值的相对误差，红色虚线表示最大允许误差曲线，由图中可以看出，50Ω负载时，在幅度±(3mV～3V)范围内，各点的误差均在最大允许误差范围之内。

如图7和图8所示，采用预修正方法，可对由于开关线缆对稳幅正弦波信号衰减和电阻测量准确度的影响进行修正。

稳幅正弦波信号由稳幅正弦波模块发出后，经过线缆和开关拓扑结构，到达数字示波器单元进行校准。在此过程中，信号幅值会由于线缆和开关拓扑结构的影响出现衰减，导致到达示波器单元的稳幅正弦波信号指标受到影响，且同一幅值不同频率信号衰减不同。因此，研究示波器阵列校准装置稳幅正弦波模块信号衰减规律，对调整稳幅正弦波模块输出信号大小，使示波器单元输入信号满足技术指标要求具有重要意义。

将线缆和开关拓扑结构看成整体，由于稳幅正弦波模块信号输出端至示波器单元输入端两端之间的信号衰减在实际校准过程中保持稳定，可以事先通过网络分析仪测量该衰减量，并对稳幅正弦波模块信号输出幅值进行预补偿。其校准思路是：利用功率计获取稳幅正弦波模块不同频率和电压幅度下输出端的稳幅正弦波功率，通过网络分析仪获取开关拓扑结构和电缆的衰减量后，与参考点的幅值和功率进行比较，获得不同频率下经过修正后的，稳幅正弦波模块信号最终输出幅值。

在示波器阵列校准装置中，有两路并行输出的稳幅正弦波信号，分别对其进行补偿修正。按照示波器校准选点要求，确定稳幅正弦波校准点幅值，利用功率计逐一对两路并行输出的稳幅正弦波模块信号输出端分别进行校准，依次获得稳幅正弦波模块的输出功率，数据如下表1和表2所示；

表1、第一路稳幅正弦波信号输出功率

表2、第二路稳幅正弦波信号输出功率

利用网络分析仪校准线缆和开关拓扑结构的衰减，其一端接稳幅正弦波模块输出端，另一端接示波器单元输入端，由于每个示波器单元的五个通道线缆和开关拓扑结构特性一致，因此每个示波器单元仅选择一个通道进行校准，校准结果下表3所示。

表3、各示波器单元开关和线缆信号衰减

通过表1-表3，利用以下计算公式，可以确定两路并行稳幅正弦波模块信号输出幅度的大小。

其中，V表示修正后稳幅正弦波幅值，mV；V

对系统输出稳幅正弦波信号功能进行验证，验证指标为稳幅正弦波信号的平坦度。选用安捷伦E9304A功率计做标准对校准装置输出端的稳幅正弦波信号功率进行测量。其中，示波器单元1、3、4采用第一个稳幅正弦波输出模块，示波器单元2、5采用第二个稳幅正弦波输出模块。以示波器单元1为例进行验证，其他示波器单元类似。

如图9所示，实线表示示波器单元1的CH1～CH5通道，在频率50MHz～1GHz范围内，幅度5mV～5V范围内，利用功率计测量的平坦度误差，红色虚线表示对应的最大允许误差，由图中可以看出，各平坦度误差均在(-0.5～0.5)dB之间，满足技术协议的要求。

如图10所示，本发明校准装置的整体校准方法为：准备阶段，首先对校准装置的直流输出信号进行自校准(修正信号开关阵列、长电缆等影响)，之后将校准装置的25个输出通道依次连接至数字示波器阵列的5个待校数字示波器单元。根据待校单元在阵列中所处的位置，按下图进行对应勾选，由于阵列各单元的IP地址固定，程序入数据库搜索并返回待校单元的IP地址，检查装置和各单元通信正常后，程序读取待校单元的型号、编号等信息，连同用户、温湿度、日期等信息录入数据库，之后程序从数据库中读取各校准单元的校准参数，执行并行校准程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。