智能仪器7自动校准和自诊断技术(tjpu2012版)

1第七章自动校准和自诊断技术7-1自动校准（自动测量功能）7-2自诊断（自检功能）2测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。(体现仪器优劣)。对智能仪器引入自动测量和自检功能,可以极大提高仪器的测量准确度。1.自动测量功能主要指智能仪器在测量之前或开始测量之时,对仪器的自动校准技术.例如零点自动校准,放大倍率的自校准,量程的自动转换等功能.2.自检功能仪器运行一段时间后,自动对仪器故障进行检测与诊断的功能.1)检测:只判断有无故障.2)诊断:判断故障出现的部位.第七章自动校准和自诊断技术33.传统仪器的两种校正方案①利用同类型的准确度高的标准仪器来校准。校准的时候，标准仪器和被校仪器同时测量由可调信号源输出的一个信号，标准仪器上的输出作为真值，它与被校仪器的测量值之间的差值即为被校仪器的测量误差。由小到大的改变信号源的输出，就可以获得在所有测量点上的校准值。第七章自动校准和自诊断技术可调信号源标准仪器被校仪器43.传统仪器的两种校正方案②采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源校准的时候，信号源的示值作为真值，它与被校仪器示值的差值就是该被校仪器的测量误差。从小到大调节标准信号源的输出，就可以得到被校仪器在所有的测量点上的校准值。以上二种方案的缺点:1)需由专业人员手动操作,使用极为不便.2)需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器.第七章自动校准和自诊断技术可调标准信号源被校仪器被校信号54.智能仪器的校准与传统仪器的校准是有区别的。智能仪器采用在微机的命令下，自动进行校准。采用校准方程,利用软件实现自动校准.它有如下的特点：1)无需手动,整个校准过程自动完成.2)根据校准源的取向分为外部校准和内部校准两种方法。第七章自动校准和自诊断技术67-1-1零点漂移的自动校准零点漂移是造成零位误差的主要原因之一.即当输入信号为零的时候，输出不为零.并且有时零点漂移值随温度的变化而变化。(主要是器件稳定性引起的系差)。可以通过选用稳定性高的输入器件,从硬件上消除这种影响,但成本较高,且温度变化较大的场合,该方法不能确保零点的稳定性。为此可利用零点自动校准技术.7-1智能仪器的自动校准7自动校准的原理假设零点漂移电压为VOS,校准零点漂移电压VOS电路的原理如下图:在仪器内部的微机控制下，它们可以使模拟量测量通道依次与地、仪器内部标准源VR和被测量Vi相接。VOS为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。7-1-1零点漂移的自动校准模拟测量通道CPU驱动器接口S3S1S2ViVOSVR8两种情况之一：当零点漂移电压不变化的时候：这个时候的校准分以下三个步骤：①切断开关S2、S3，闭合开关S1。即在微机的控制下，将模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/D转换的输出值N0；则有：N0=KVos；该式中，K为总的放大系数.②在微机控制下,切断开关S1、S2，闭合开关S3。将被测信号Vi和漂移电压Vos一同送入模拟量通道；这个时候得到的一个A/D转换的输出值为：N1=K(Vi+Vos)；③最后一步，就是利用微机对上面两次测量数据进行计算：计算后的A/D转换的输出值N，是消去了零点漂移电压Vos的影响，真正代表了输入电压Vi的输出值。7-1-1零点漂移的自动校准KViKVVViKNNNOSOS)(019两种情况之一：当零点漂移电压不变化的时候：NOTE：1)在这两次测量过程中，我们是假定Vos和总的倍率系数K是保持不变的。2)为了消去Vos，需进行两次测量，用了双倍的时间，对测量速度的影响比较大。7-1-1零点漂移的自动校准10两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：如果在上面的两次测量之间，VOS发生了变化，上述方法就不再适用；这个时候，就必须对VOS进行一个插值处理。假设VOS是线性变化的，对它的校准步骤如下：①合上开关S1，将输入通道与地接通,设这个时候的零点漂移电压为Vos1。在微机启动A/D转换测量Vos1的同时，启动仪器内部的计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1，A/D转换的输出值为N1。则：N1=KVos1；②打开开关S1，合上开关S3，将被测量Vi接入,假设这时的零点漂移电压为Vos2。Vos2和被测量Vi一起输入到模拟测量通道的输入端，设A/D转换的输出值为N2，则有N2=K(Vi+Vos2)；同样在启动这一次A/D转换的时候，要读取内部计时单元的时间t2。7-1-1零点漂移的自动校准11两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：③打开开关S2,再一次合上开关S1，将模拟输入接地,假设这个时候的零点漂移电压为变化为Vos3,A/D转换的输出值为N3，则N3=KVos3；当微机启动A/D的时候，同样要读取一个时间t3。④设在时间t1-t3之间另点漂移Vos呈线性变化，可以通过计算机利用线性插值法来求零点漂移电压Vos2。等式两边同乘K整理得：7-1-1零点漂移的自动校准)(12131312ttttVVVVOSOSOSOS)()(131312113131212NNttttNKVKVttttKVKVOSOSOSOS12两种情况之二：当零点漂移电压变化的时候：则A/D转换后消除零点漂移后的总得输出值为：从上面的表达式中可知:1)只要零点漂移电压Vos是线性变化的,经过计算后的值,已经消去了零点漂移电压Vos2的影响，真正代表了Vi的值。2)如果测量时间间隔不太长，完全可以近似认为零点漂移电压Vos是线性变化的。7-1-1零点漂移的自动校准)(1313121222NNttttNNKVNKVNOSi13利用内附标准源Vref可以对增益偏离额定值产生的影响进行校准，它的校准仍然参看下图。7-1-2增益K的内部自动校准模拟测量通道CPU驱动器接口S3S1S2ViVOSVR14步骤如下：假设此时无零点漂移(即VOS=0),在计算机控制下,①将S2闭合,S1,S3断开,即接通标准源Vr，这个时候得到一个接通标准源的A/D转换后的输出值Nr=KVr，将Nr存入RAM的确定单元中.②将S3闭合,S1,S2断开,即被测量Vi接入，得到一个A/D转换后的输出值N1=KVi③仪器内部CPU对测量数据进行以下计算:整理得：从上式可看出,这样得到的输入信号与增益K没有关系,消除了因K偏离额定值所引起的误差。7-1-2增益K的内部自动校准rrrVViKVKViNNN/)/()(/1NVrVi15归纳内部自动校准的流程如下:在实际进行内部自动校准的时候，既要考虑零点漂移，也要考虑倍率K的变化。这时的校准步骤如下(假设VOS和K值是固定不变的)：1)程序控制输入通道接地,得到输出值N0，则N0=KVOS2)程序控制输入通道与标准源相接,得到输出值Nr，则：Nr=K(Vr+VOS)3)程序控制输入通道与输入信号相连,得到输出Nx，则：Nx=K(Vi+Vos)4)在微机控制下进行下列的运算：N1=Nr-N0=KVrN2=Nx-N0=KViN=N2/N1=Vi/Vr所以：7-1-3内部自动校准总结00)1/2(NNrNNxVrVrNNVrNVi16Note：1)每测量一个被测量要进行3次测量，测量时间增加二倍。2)三次测量中，认为零点漂移电压Vos和倍率K是保持不变的。通常，在连续的三次测量期间，测量时间短而测量速度很快时，可认为此条件满足。3)内附标准源稳定性好，其准确数值为已知。设计仪器时，安排内部自动校准有两种方案：1)每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏移的自动校准。这时，测量速度会显著的降低，这是以牺牲速度求得测量的准确度。2)有选择的进行自定校准。仪表面板上设置了“自校准”按钮，只有按此按钮的时候，测量才进行零点漂移和倍率的校准。7-1-3内部自动校准总结17仪器的外部自动校准，也可以采用自动校准系统来完成。外部自动校准要采用高精度的外部标准。例如.一些智能仪器只需操作者按下自校准键,仪器就会提示操作者输入标准电压,当操作者按照提示给出了标准电压后,再按一次键,仪器就会启动校准系统完成校准测量,外部校准一旦完成,新的校准常数就会被保存在测量仪器中.有的公司还专门提供测量仪器中的外校准的标准软件.备注：量程的自动转换也是仪器自动校准的一部分。7-1-4仪器的外部自动校准18所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便。7-2仪器的自诊断7.2.1自检方式7.2.2自检算法7.2.3自检软件19（1）开机自检。开机自检在仪器电源接通或复位之后进行。自检中如果没发现问题，就自动进入测量程序，如果发现问题，则及时报警，以避免仪器带病工作。开机自检是对仪器正式投入运行之前所进行的全面检查。（2）周期性自检。周期性自检是指在仪器运行过程中，间断插入的自检操作，这种自检方式可以保证仪器在使用过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响仪器的正常工作，因而只有当出现故障给予报警时，用户才会觉察。（3）键控自检。有些仪器在面板上设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度发出怀疑时，便通过该键来启动一次自检过程。7-2-1自检方式20自检过程中，如果检测仪器出现某些故障，应该以适当的形式发出指示。智能仪器一般都借用本身的显示器，以文字或数字的形式显示“出错代码”，出错代码通常以“ErrorX”字样表示，其中“X”为故障代号，操作人员根据“出错代码”，查阅仪器手册便可确定故障内容。仪器除了给出故障代号之外，往往还给出指示灯的闪烁或者音响报警信号，以提醒操作人员注意。一般来说，自检内容包括ROM、RAM、总线、显示器、键盘以及测量电路等部件的检测。仪器能够进行自检的项目越多，使用和维修就越方便，但相应的硬件和软件也越复杂。7-2-1自检方式21一、ROM或EPROM的检测由于ROM中存在着仪器的控制软件，因而对ROM的检测是至关重要的。ROM故障的测量算法常采用“校验和”方法，具体作法是：在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个１。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果ROM无故障，各列的运算结果应都为“１”，即校验和等于FFH。7-2-2自检算法22一、ROM或EPROM的检测理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这种错误的概率很小，一般可以不予考虑。若要考虑，须采用更复杂的校验方法。7-2-2自检算法ROM地址ROM中的内容011010010110011001200111100311110011410000001500011110610101010701001110(校验字)11111111(校验和)23二、RAM的检测数据存储器RAM是否正常的测量算法是通过检验其“读/写功能”的有效性来体现的。常选特征字55H和AAH，分别对RAM中的每一个单元进行先写后读的操作。判别读/写内容是否相符的常用方法是，把该单元的内容求反并与原码进行“异或”运算，若结果为FFH，表明正常。上述检验属于破坏性检验，一般用于开机自检。若RAM中已存有数据，若要求在不破坏RAM中原有内容的前提下进行检验就相对麻烦一些。7-2-2自检算法24三、总线的检测所谓总线的自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。由于总线没有记忆能力，因此需要设置了两组锁存触发器，分别记忆地址总线和数据总线上的信息。这样，只要执行一条对存储器或I/O设备的写操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组触发器中，我们通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障。具体做法是：使被检测的每根总线依次为1态，其余总线为0态。如果某总线停留在0态或1态，说明有故障存在。7-2-2自检算法25三、总线的检测实现原理图7-2-2自检算法26四、显示与键盘的检测智能仪器显示器、键盘的检测往往采用与操作者合作的方式进行。检测程序的内容为：先进行一系列预定的操作，然后操作者对这些操作的