基于高穩(wěn)定電源虛擬測試系統(tǒng)設(shè)計方案

0 引言

一般電源穩(wěn)定度的測試有眾多方法。在220 kV場發(fā)射槍透射電子顯微鏡的研制過程中，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)定度測試系統(tǒng)來開展工作。目前，高穩(wěn)定度測試系統(tǒng)常采用記錄儀方法，但其操作不方便，精度不高。

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

1 測試系統(tǒng)硬件組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成

該測試系統(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，電壓數(shù)字化數(shù)據(jù)經(jīng)GBIB 接口連線輸入到計算機，計算機進行分析處理并實時顯示。

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)采集過程為：數(shù)字多用表3458A 具有標準的GPIB 接口，通過82357B 模塊轉(zhuǎn)換成標準的USB接口，這樣就可以方便地與計算機連接。

1.2 穩(wěn)定度測試方法

根據(jù)國標《JB/T 9352-1999 ,透射電子顯微鏡試驗方法》，線圈電源穩(wěn)定度的定義為在一定時間內(nèi)采樣電壓變化量與該時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反映線圈電源的狀況。

測試過程是：讓線圈電源穩(wěn)定工作一段時間，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為一計算區(qū)間，10 min共10個區(qū)間，計算每個區(qū)間的取樣電壓變化量，然后求10個區(qū)間的電壓變化量的算術(shù)平均值，具體可按式(1)計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 為取樣電壓的標稱值。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)在虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW 8.5 環(huán)境下開發(fā)，編寫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)的實時圖形顯示，數(shù)據(jù)的文件存儲等功能。該系統(tǒng)設(shè)計了將數(shù)據(jù)存儲為。txt 文件格式，事后可以用軟件Excel 進行相關(guān)處理。程序流程簡圖如圖2所示。

設(shè)計的采集程序界面如圖3 所示，當點擊開始，設(shè)置每秒鐘的采樣點數(shù)與間隔時間(積分時間)，點擊開始存儲文件后就開始采集數(shù)據(jù)顯示并存儲?？梢愿鶕?jù)即時波形圖與整體波形圖來得到測量電壓的信息。

2.1 配置3458A的程序設(shè)計

本系統(tǒng)中計算機與3458A 的通信都使用LabVIEW的VISA函數(shù)來完成，有關(guān)特點如下：

VISA 是在所有LabVIEW 工作平臺上控制VXI、GPIB、RS 232 以及其他種類儀器的單接口程序庫。采用了VISA 標準，就不考慮時間及儀器I/O選擇項，驅(qū)動軟件相互之間可以通用。對3458A 進行遠程操作包括三部分：讀或改變GPIB地址、給萬用表發(fā)指令、從萬用表讀數(shù)，為正常使用3458A的各項功能需對3458A進行各項必要的配置。

2.1.1 初始化3458A

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

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

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，這使得萬用表處于不斷的讀數(shù)狀態(tài)，所以在為萬用表的測量設(shè)置之前，必須先懸掛讀數(shù)，使其不在讀數(shù)狀態(tài)。解決此問題的方法是presetting 萬用表，即發(fā)送“PRESET NORM”或者“PRESET FAST”命令，其程序框圖如圖5所示。

2.1.3 定義3458A測量功能

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

(1)Autorange方式：在每次讀數(shù)前萬用表3458A 取樣輸入數(shù)據(jù)，并且自動選擇測量范圍，因此這種方式需要花費更多的測量時間。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)置萬用表3458A 的最大輸入電壓為2.5 V,萬用表白動選擇量程為DC10 V,其程序框圖如圖6所示。

2.2 配置3458A的A/D轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計

A/D 轉(zhuǎn)換器的設(shè)置決定測量速度、分辨率、精度和電壓或電阻測量時的抗噪聲，配置A/D轉(zhuǎn)換器的因素有三個：參考頻率、綜合時間和分辨率。參考頻率與萬用表抵制噪聲的能力有關(guān)，這里應(yīng)注意當斷電或者Reset后，參考頻率值恢復(fù)為默認值，需重新設(shè)置參考頻率值;綜合時間為A/D 轉(zhuǎn)換器測量輸入信號的時間，可以用NPIC命令或APER命令來設(shè)置綜合時間，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,則綜合時間為20 ms×10=200 ms;在測量DC或電阻時，分辨率是取決于A/D轉(zhuǎn)換器的綜合時間的，當定義分辨率時，就相當于間接定義了綜合時間，其程序框圖如圖7所示。

2.3 設(shè)置3458A的觸發(fā)事件

若要使萬用表讀數(shù)，則必須按順序執(zhí)行以下三個事件：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)當取樣事件發(fā)生時，萬用表讀一次數(shù)。然后按照定義好的讀數(shù)次數(shù)，萬用表循環(huán)讀數(shù)。用NRDGS 命令定義，第一個參量為每次觸發(fā)事件后讀數(shù)個數(shù)，第2個參量為定義取樣事件方式，其程序框圖如圖8所示。

3 測試結(jié)果

使用該系統(tǒng)首先對3458A數(shù)字表的零漂(測試兩表筆短接時電壓值即電壓表的零漂)進行測量，在實驗室環(huán)境下得到如圖9 所示的測試曲線。當3458A 數(shù)字表穩(wěn)定工作時，得到其零漂小于1 μV ,因此可以看出該系統(tǒng)具有相當高的精度，當測試電壓值超過1 V 時，可以達到1 ppm的測試精度。

然后使用該系統(tǒng)測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算出線圈電流的穩(wěn)定度。當電源工作比較穩(wěn)定時，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。使用Excel軟件可以方便地對存儲的數(shù)據(jù)進行處理。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)來進行處理計算，就可以得到電源的1 min穩(wěn)定度。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于高穩(wěn)定電源虛擬測試系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案中所設(shè)計的系統(tǒng)硬件平臺基于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為開發(fā)平臺，可以實時采集處理線圈電流反饋的電壓信號。應(yīng)用該系統(tǒng)測試了穩(wěn)定度為2 ppm/min的物鏡線圈電源。通過實踐應(yīng)用，在多路高穩(wěn)定的電源穩(wěn)定度測試中，該系統(tǒng)具有高精度，方便與高效等優(yōu)點。由于采用計算機軟件采集處理測試數(shù)據(jù)，可以減少人為的測量、處理誤差，同時節(jié)省大量的人力物力，提高了工作的效率。