基于高穩(wěn)定電源虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了測(cè)試電子顯微鏡高穩(wěn)定線圈恒流電源的穩(wěn)定度，本文提出了一種基于高穩(wěn)定電源虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)基于GPIB總線，以 8位半數(shù)字多用表為高精度電壓采集設(shè)備，軟件系統(tǒng)以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)采集處理線圈電流反饋的電壓信號(hào)。應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)試了穩(wěn)定度為2 ppm/min的物鏡線圈電源。結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)精度高，反應(yīng)快，使用方便，滿足自動(dòng)測(cè)試高穩(wěn)定電源的需求。

0引言

一般電源穩(wěn)定度的測(cè)試有眾多方法。在220 kV場(chǎng)發(fā)射槍透射電子顯微鏡的研制過(guò)程中，其線圈恒流電源的穩(wěn)定度要求甚高，特別是物鏡線圈恒流電源，其線圈電流穩(wěn)定度達(dá)到2 ppm/min.這就迫切需要搭建一套可靠，方便和高效的電源穩(wěn)定度測(cè)試系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展工作。目前，高穩(wěn)定度測(cè)試系統(tǒng)常采用記錄儀方法，但其操作不方便，精度不高。

根據(jù)項(xiàng)目工作需要，作者開(kāi)發(fā)了實(shí)用化的基于Lab-VIEW虛擬平臺(tái)的線圈電源高穩(wěn)定度的在線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本文以物鏡線圈電源電流穩(wěn)定度測(cè)試為例，介紹該系統(tǒng)的組成，測(cè)量原理及軟件編程實(shí)現(xiàn)，并給出數(shù)據(jù)處理方法及測(cè)量結(jié)果。

1測(cè)試系統(tǒng)硬件組成及原理

1.1系統(tǒng)組成

該測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，線圈電源給線圈與采樣電阻R提供電流，8位半數(shù)字多用表采集采樣電阻R上的電壓信號(hào)，電壓數(shù)字化數(shù)據(jù)經(jīng)GBIB接口連線輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)顯示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成圖

本系統(tǒng)數(shù)字多用表采用Agilent公司3458A多用數(shù)字多用表。3458A直流電壓檔具體特性為：最高8.5位(28位A/D)分辨率，最高靈敏度 10 nV;0.6 ppm /24 h精度，8 ppm/年電壓基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定度。線圈電源穩(wěn)定度最高為物鏡線圈電源，要求線圈電流穩(wěn)定度為2 ppm/min，因此3458A數(shù)字多用表可以滿足要求。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程為：數(shù)字多用表3458A具有標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口，通過(guò)82357B模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的USB接口，這樣就可以方便地與計(jì)算機(jī)連接。

1.2穩(wěn)定度測(cè)試方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)《JB/T 9352-1999 ，透射電子顯微鏡試驗(yàn)方法》，線圈電源穩(wěn)定度的定義為在一定時(shí)間內(nèi)采樣電壓變化量與該時(shí)間電壓平均值的比值。在上面的系統(tǒng)組成圖中，采樣電阻為非常穩(wěn)定的金屬膜電阻，且置于恒溫油箱中，因此采樣電阻的電壓可以真實(shí)反映線圈電源的狀況。

測(cè)試過(guò)程是：讓線圈電源穩(wěn)定工作一段時(shí)間，連續(xù)記錄采樣電壓，然后從中取出連續(xù)記錄10 min比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以每1 min為一計(jì)算區(qū)間，10 min共10個(gè)區(qū)間，計(jì)算每個(gè)區(qū)間的取樣電壓變化量，然后求10個(gè)區(qū)間的電壓變化量的算術(shù)平均值，具體可按式(1)計(jì)算線圈電源的分鐘電壓穩(wěn)定度：

式中：Sa為1 min電壓穩(wěn)定度;ΔVSV為每分鐘取樣電壓變化量的10次算術(shù)平均值;VSV為取樣電壓的標(biāo)稱(chēng)值。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 8.5環(huán)境下開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)的程序完成的主要功能有：配置3458A數(shù)字電壓表，從電壓表內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)圖形顯示，數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)等功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為。txt文件格式，事后可以用軟件Excel進(jìn)行相關(guān)處理。程序流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 程序流程簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)的采集程序界面如圖3所示，當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始，設(shè)置每秒鐘的采樣點(diǎn)數(shù)與間隔時(shí)間(積分時(shí)間)，點(diǎn)擊開(kāi)始存儲(chǔ)文件后就開(kāi)始采集數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)?？梢愿鶕?jù)即時(shí)波形圖與整體波形圖來(lái)得到測(cè)量電壓的信息。

2.1配置3458A的程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)與3458A的通信都使用LabVIEW的VISA函數(shù)來(lái)完成，有關(guān)特點(diǎn)如下：

VISA是在所有LabVIEW工作平臺(tái)上控制VXI、GPIB、RS 232以及其他種類(lèi)儀器的單接口程序庫(kù)。采用了VISA標(biāo)準(zhǔn)，就不考慮時(shí)間及儀器I/O選擇項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)軟件相互之間可以通用。對(duì)3458A進(jìn)行遠(yuǎn)程操作包括三部分：讀或改變GPIB地址、給萬(wàn)用表發(fā)指令、從萬(wàn)用表讀數(shù)，為正常使用3458A的各項(xiàng)功能需對(duì)3458A進(jìn)行各項(xiàng)必要的配置。

圖3 操作界面圖

2.1.1初始化3458A

首先配置GPIB地址，通常3458A出廠時(shí)預(yù)留的地址默認(rèn)為22，可以將其地址設(shè)置為：GPIB0：：22：：

lNSTR;其次測(cè)試3458A是否與計(jì)算機(jī)正常連接，如果給3458A發(fā)指令“ID-”，儀器將會(huì)返回“HP3458A”，因此利用這一點(diǎn)就會(huì)很方便的知道3458A是否正常與計(jì)算機(jī)連接，其程序框圖如圖4所示。

圖4 初始化3458A

2.1.2預(yù)設(shè)置3458A狀態(tài)

通電后3458A首先處在power-on狀態(tài)，此狀態(tài)下trigger arm，trigger，sample events事件都預(yù)設(shè)置為AUTO模式，這使得萬(wàn)用表處于不斷的讀數(shù)狀態(tài)，所以在為萬(wàn)用表的測(cè)量設(shè)置之前，必須先懸掛讀數(shù)，使其不在讀數(shù)狀態(tài)。解決此問(wèn)題的方法是presetting萬(wàn)用表，即發(fā)送“PRESET NORM”或者“PRESET FAST”命令，其程序框圖如圖5所示。

圖5 預(yù)設(shè)置3458A

2.1.3定義3458A測(cè)量功能

如要測(cè)量直流電壓，則需發(fā)送FUNC DCV命令至3458A，DCV為FUNC的第1個(gè)參量，第2個(gè)參數(shù)口r以定義測(cè)量分辨率，其設(shè)置方式包括以下兩方面：

(1)Autorange方式：在每次讀數(shù)前萬(wàn)用表3458A取樣輸入數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)選擇測(cè)量范圍，因此這種方式需要花費(fèi)更多的測(cè)量時(shí)間。在power- on/PRESET NORM狀態(tài)下，Autorange被使能，也可使用ARANGE ONCE命令選擇將Autorange使能一次。

(2)定義范圍方式：例如若使用“DCV 2.5”命令，則將設(shè)置萬(wàn)用表3458A的最大輸入電壓為2.5 V，萬(wàn)用表白動(dòng)選擇量程為DC10 V，其程序框圖如圖6所示。

圖6 定義3458A的功能

2.2配置3458A的A/D轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)置決定測(cè)量速度、分辨率、精度和電壓或電阻測(cè)量時(shí)的抗噪聲，配置A/D轉(zhuǎn)換器的因素有三個(gè)：參考頻率、綜合時(shí)間和分辨率。參考頻率與萬(wàn)用表抵制噪聲的能力有關(guān)，這里應(yīng)注意當(dāng)斷電或者Reset后，參考頻率值恢復(fù)為默認(rèn)值，需重新設(shè)置參考頻率值;綜合時(shí)間為A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量輸入信號(hào)的時(shí)間，可以用NPIC命令或APER命令來(lái)設(shè)置綜合時(shí)間，例如若A/D轉(zhuǎn)換器的參考頻率設(shè)置為50 Hz，則其周期為1 50 =20 ms，假如設(shè)置10PLCs，則綜合時(shí)間為20 ms×10=200 ms;在測(cè)量DC或電阻時(shí)，分辨率是取決于A/D轉(zhuǎn)換器的綜合時(shí)間的，當(dāng)定義分辨率時(shí)，就相當(dāng)于間接定義了綜合時(shí)間，其程序框圖如圖7所示。

圖7 配置3458A的A/D

2.3設(shè)置3458A的觸發(fā)事件

若要使萬(wàn)用表讀數(shù)，則必須按順序執(zhí)行以下三個(gè)事件：觸發(fā)端事件、觸發(fā)事件和取樣事件。

(1)觸發(fā)端事件使能觸發(fā)事件，用TARM命令定義。

(2)觸發(fā)事件使能取樣事件，用TRIG命令定義。

(3)當(dāng)取樣事件發(fā)生時(shí)，萬(wàn)用表讀一次數(shù)。然后按照定義好的讀數(shù)次數(shù)，萬(wàn)用表循環(huán)讀數(shù)。用NRDGS命令定義，第一個(gè)參量為每次觸發(fā)事件后讀數(shù)個(gè)數(shù)，第2個(gè)參量為定義取樣事件方式，其程序框圖如圖8所示。

圖8 設(shè)置3458A的觸發(fā)事件

3測(cè)試結(jié)果

使用該系統(tǒng)首先對(duì)3458A數(shù)字表的零漂(測(cè)試兩表筆短接時(shí)電壓值即電壓表的零漂)進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到如圖9所示的測(cè)試曲線。當(dāng)3458A數(shù)字表穩(wěn)定工作時(shí)，得到其零漂小于1μV ，因此可以看出該系統(tǒng)具有相當(dāng)高的精度，當(dāng)測(cè)試電壓值超過(guò)1 V時(shí)，可以達(dá)到1 ppm的測(cè)試精度。

圖9 3458A零漂曲線圖

然后使用該系統(tǒng)測(cè)試了電子顯微鏡的物鏡線圈恒流電源的穩(wěn)定度。由于線圈恒流電源中，其采樣電阻具有非常高的穩(wěn)定度(置于恒溫郵箱中且溫漂小于1 ppm/℃)，因此采集該電阻兩端的電壓就可以計(jì)算出線圈電流的穩(wěn)定度。當(dāng)電源工作比較穩(wěn)定時(shí)，使用該系統(tǒng)采集采樣電阻兩端的數(shù)據(jù)以。txt文件格式存儲(chǔ)。使用Excel軟件可以方便地對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如圖10所示，可以得到整體效果圖，然后可以選擇一段比較平穩(wěn)的10 min數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行處理計(jì)算，就可以得到電源的1 min穩(wěn)定度。

圖10 測(cè)試數(shù)據(jù)圖

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于高穩(wěn)定電源虛擬測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)基于GPIB總線，以8位半數(shù)字多用表為高精度電壓采集設(shè)備，軟件系統(tǒng)以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)采集處理線圈電流反饋的電壓信號(hào)。應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)試了穩(wěn)定度為2 ppm/min的物鏡線圈電源。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，在多路高穩(wěn)定的電源穩(wěn)定度測(cè)試中，該系統(tǒng)具有高精度，方便與高效等優(yōu)點(diǎn)。由于采用計(jì)算機(jī)軟件采集處理測(cè)試數(shù)據(jù)，可以減少人為的測(cè)量、處理誤差，同時(shí)節(jié)省大量的人力物力，提高了工作的效率。