1、校准源的设计一：校准源1.校准源的用途大多数的测量仪表都需要检定和校准，而检定和校准是一个十分精细的专门测量过程。对某台未知性能的仪器进行测量并和一台具有已知性能的标准一起进行比对，从中探测中其精度的差异，以此来确定被测仪器是否合格，这一过程叫做检定。同时，通过调整尽量减少其精度误差，然后报告出其残留的差异，这一过程叫做校准。通过这种检定和校准过程，可以减少使用电子仪器进行测量时的不确定性，使测量工作有更大的把握。校准的方法一般有两种。第一种为比对法，如在校准数字电压表时，如图8-9 所示，电压源送出一个可调的稳定直流电压，标准仪器和待测仪器同时对此电压进行测量，通过比较两个仪器的测量结果，就
2、可以依照标准仪器的数据对待测仪器进行校准。这种方法中标准仪器可以是传统的电位差计、分压箱，也可以是数字电压表。对电压信号源则不要求有高的精度，只要求它有足够的稳定度以保证测量需要就可以啦。第二种方法为直接校准法，如图 8-10 所示。本校准过程中直接采用校准源来对待测仪器进行校准。这里，校准源和第一种方法中的电压源类似，其区别在于校准源不仅具有足够高的稳定性，而且还具有足够高的输出精度。当然，需要校准的仪器仪表种类很多，如电压、电流、温度湿度、流量、压力等等，几乎涉及各个领域，正因如此，才引发并促进了校准源的发展。2.校准源的基本构成一个校准源的精度取决于机内的基准电压源性能的好坏，基准电压源
3、一般由一个基准电压器件（基准齐纳二极管）和辅助电路（如恒温槽）构成。它要求基准电压稳定性好，电压温度系数小，噪声低，基准电压长期零漂要小。这种基准电压器件都要经过严格筛选。目前已经有了很多种类的集成精密基准电压源，如 LM399，温度系数可达 3ppm，有的甚至更高，这也促进了校准源的发展。基准电压源的数值虽然精确稳定，但它只是一个固定值，为了做成校准源，就要设法以基准电压为基础，产生可以人为设定和控制的可交精确直流电压或电流。通常，校准源的输出电流的电压值都比较大，为了得到高的输出电压和大电流，就需要一个输出级电路，把数模变换器产生的输出电压变换成仪器最后输出的电压或电流。一般的输出级电路都
4、是一个能输出高电压或大电流的反馈放大器。校准源有直流校准源和交流校准源。下面以 Fluke 公司的 335D 精密直流校准源为例，对传统直流校准源的构成做一说明。图 8-11 为 335D 的简化方框图。主基准电压单元产生稳定度高的基准电压 ER。校准源的输出电压采用串级稳压电源的原理获得。从 8-11 中可以看出，误差放大器和串联调整电路一起构成了一个高增益、宽输出动态范围的直流放大器。由于正输出端与正采样端相连，负输出端与负采样端相连，构成了一个典型的电压并联负反馈运算放大电路。所以 E0=R 采样串/R 量程(ER-E 误差)式中，ER基准单元得主基准电压；E 误差运算放大器虚零点的误差
5、电压。由于直流放大器的增益足够高，所以放大器虚零点的电压 E 误差非常小，可以忽略。这样就得到了校准源输出电压的基本公式：既然 ER是精确稳定的单点主基准电压，那么只要适当改变 R 采样串和 R 量程，即可得到任意需要的输出电压 E0.通常把 R 量程按十进制的数值比例（十位）设几档，就可以得到按十进制变化的几个输出量程，而在同一量程中改变 R 采样串即可得到任意数值的输出电压。二：SFX-2000 型双通道直流校准源1.SFX-2000 型双通道直流校准源的主要技术指标 表 8-2 SFX2000 型校准源电压输出指标SFX-2000 型双通道直流校准源采用 8751 单片机，配以可编程接口
6、芯片及高精度运算放大器组成智能型校准源，采用轻触键盘结构，数字显示的双通道直流电压/电流输出，用以校准四位半及以下的数字多用表等，其输出级可以提供较大的输出功率，以作为高稳定度和高精度的电压源和电流源使用。表 8-2 和表 8-3 分别为该机的电压输出指标和电源输出指标表 8-3 SFX2000 型校准源电流输出指标量程 1mA 10mA 100mA 备注分辨度 100nA 1A 10A输出范围 1.1999 11.999 119.99最大负荷 10V(10k) 10V(1.0k) 10V(100) 超载报警温度范围 2510，0-40时不超过 0.01%/10（满量程）修正范围 1.5A15
7、A 150A输出噪音与纹波100nA 200nA 5A量程 10mV 10mV 1V 10V 备注分辨度 1V 10V 100V 1mV 无输出范围 11.999 119.99 1.1999 11.999 无最大负荷 10mA 10mA 100mA 1A 超载报警温度范围 2510，0-40时不超过 0.01%/10（满量程）修正范围 15V 150V 1.5 mV 15 mV 无输出噪音与纹波2V 15V 30V 100V 无量程 备注分辨度 无输出范围 无最大负荷 超载报警温度范围 ， 时不超过 （满量程）修正范围 无输出噪音与纹波无量程 备注分辨度 无输出范围 无最大负荷 超载报警温度范
8、围 ， 时不超过 （满量程）修正范围 无输出噪音与 无SFX-2000 型双通道直流校准源除具有上述特点外，还具有如下功能。（1）超载报替：当仪器置入值超过满量程值时，该机自动锁定为满量程值，当输出负荷超过本机规定限度时，将启动报警电路，由面板上的发光指示灯及机内的蜂鸣器进行报警，并同时将输出置“0” ，以防止仪器被损坏。（2）误差校正输入：本机原则上满足量程 0.05%的输出精度。为了保证更高精度的输出要求，可以通过面板上的误差校正输入键，把机器本身的误差预置进去，以提高输出精度。（3）避免大信号冲击:以往的开关转换式校准源，从一个量程转换到另一个量程时若不把输出预先置零，将会引起较大的输出
9、冲击，而本校准源在设计过程中有效的解决了这一缺点。当输出从一个量程转换到另一个量程时，输出自动置零，操作者可根据需要手动植入输出值。另外，本机设置 10 个输出置入键和一个加速键，分别采用1、10、100、1000、10000 的方式。当需要快速置入可同时按下加速键，提高置入速度 5 倍。在印刷电路板设计中采用大面积地线屏蔽措施，减少了各种信号的干扰及分布电容和引线电阻带来的不良后果。2.SFX-2000 型双通道直流校准源模拟部分电路（1）提高分辨率的方法要达到 0.05%的精度输出，单靠 DAC 转换达到最小步进值 1uV 需要 20 位DAC，这将使成本大大增加，不利于形成批量生产。未解
10、决这一矛盾，该机采用12 位 DAC 与基准电压源组合，通过模拟加法器及分压电路，完成了从 1uV-10V的输出。原理电路如图 8-12 所示。单片机把通过键盘置入的输出值以及误差修正值进行代数运算，如果0V8.0V 时，则同时吸合 J1及 J2，由加法器进行运算输出。这样，DAC 每个字代表 1mV 的电压值，再通过 1/1000 分呀即可得到 1V 的步进值。乘法型 DAC 多为电流输出方式，因而图中增加了放大器 A1 用作 I/V 转换。DAC 的输出电压为：纹波（2）输出级电路精密输出级电路大图功率输出级电路大图3.SFX-2000 型双通道直流校准源控制部分电路图 8-15 为该校准
11、源的数字控制部分的原理框图本机所有功能设置及数据置入均可通过键盘或 IEEE-488 接口连接器输入。当从键盘输入时，键盘及显示接口电路 8279 向单片机 8751 申请中断，单片机响应中断后，根据键值转向相应的子程序，然后通过 I/O 口启动相应的继电器或是把运算数据通过光电耦合器送往左右通道的模拟部分进行数据输出。如果输出过载，过载检测电路将引起单片机优先中断。中断处理的结果是是输出置为零，并接通报警电路进行声光报警。如果负载恢复正常，那么输出电路也将重新恢复正常输出状态。在数据置入过程中，有时需要进行连续置入，即按住某一个键不放，数据从当前值逐渐加“1” ，直至所需要的数值。而键盘及显
12、示接口芯片 8279 无论工作在哪一种方式也没有这一功能，只有在键按下或放开时，8279 中断申请线IRQ 才会由低向高跳变，这一跳变通过反向后接 8751INT0的中断输入端，单片机响应中断后 IRQ 并不是立即由高变低，只有当 8751 执行完中断处理，用RETI 指令返回时才复位 IRQ，这时 8279 可以再次申请中断。但是如果先前按下的键没有放开，8279 就不能马上申请中断，必须把该键松开然后再按一次才会申请中断。也就是说，每按一次键数据只能变化一次，达不到连续置入的目的。为此，该机通过单片机 8751 的 P3.4引脚控制译码器 74LS138 的工作状态，以实现连续置入的目的。
13、表 8-4 为 74LS138 的逻辑真值表。由该表可看出，当控制端 G2(G2A+G2B)为逻辑“1”时，138 的所有输出端全为“1” ，相当于 138 被复位，体现在键盘上就相当于原来按住键的线上时，回扫线变低，8279 把该键值存入内部 FIFO RAM，并向 CPU 申请中断。CPU 则继续相应该中断直至该键松开为止。在该电路中，74LS138 的控制端实际是由 8751 的 P3.4 控制的。8751 在每一个数字键返回前，先置 P3.4 为“0” ，这样在中断返回不久，8279 即可再次申请中断，然后 CPU 再继续响应，完成连续置入的目的。74LS138 逻辑真值表输入端允许
14、选择输出端 G1 G2* C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 10 1 01 01 01 01 01 01 01 0 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0G2*=G2A+G2B在键盘设计上，增加了一个 Shift 的键，它的作用是：
15、在连续置入数据时，同时按住 Shift 键和所需要的数字增减键，那么置入速度可提高 5 倍以上。图 8-16 为该仪器的键盘及显示器的面板排列图，通过该图，可更清楚的了解该仪器的置数过程。其中通道置数数码管显示“1”或“2” ，代表当前输出值是通道还是通道。显示某一通道时，即可对某一通道进行设置。设置过程中并不影响另一通道的正常工作。右面的指示灯有 7 个量程指示，点亮灯的代表该道当前的量程。如果此时校准等也同时点亮，表明该通道的当前量程已被预先校准过，按动一下校准键（-或+）即可在显示器上显示出该量程的校准值（包括-或+） ，在按置数键可恢复输出数值显示。如果出现超载现象，该通道报警指示灯即
16、会点亮，同时内部蜂鸣器也发出声音提醒操作者。 “电压量程”和“电流量程”键是当前通道量程选择键， “电压量程”键按10mV、100mV、1V、10V 顺序变化， “电流量程”1mA、10mA、100mA 方式变化。“清零”键的作用是清除当前通道当前量程的输出，便于数据的重新设置。SFX-2000 的 IEEE-488 接口的实现有两种方案，即采用 Motorola 公司的68488GPIB 接口芯片或采用 Intel 公司的 8291、8293GPIB 接口芯片。另外，该仪器在设计过程中考虑到用户的习惯，因而还给出了一种简易的RS-232 接口电路（原理图中未标出） 。该电路应用 8751 单
17、片机的串行通信接口RXD 和 TXD（即 P3.0和 P3.1） ，外接两片串行口通信驱动电路 MC1488 和MC1489，实现串行通信功能，可与一台微型计算机组成自动测试系统。三：SFX-2000 的模块化结构软件1.程序简介SFX-2000 采用 8751 单片机键盘及显示由专用电路 8279 管理，因而给软件编制带来很大方便。该软件采用大量模块化结构，因而更显得简洁明了。整个程序分为主程序模块和中断处理模块：主程序模块包括开机初始化和主程序两部分；中断模块按中断源可分为 IEEE-488 中断模块和键盘中断模块以及 RS-232 串行中断模块。软件编制时充分考虑到三个中断源中断时完成的
18、功能近似相同这一现象，因而是中断模块大为简化。在主程序模块和中断模块中都用到很多通用程序，这些小的程序集合在一起构成公用程序模块。（1）初始化模块开机初始化模块可以用如图 8-17 所示的流程图来说明。开始RAM 清零送初始数据置左右通道 10mV量程 0V 输出串行口初始化T1 初始化8279 初始化显示通道，10mV 量程IEEE-488 初始化开中断通道判别显示设堆栈指针 SP来及后首先在 RAM 区的顶端 10H 处设置堆栈指针 SP，并将仪器工作需要的RAM 区全部清零，向 RAM 区的默写单元传送仪器工作必须的初始数据，设置某些标志位，置两个通道皆为 10mV 量程 0V 输出，以
19、保证机器开机工作正常，然后开始对串行口的 SCON 和 PCON 进行写数据初始化，并设置 T1 的溢出率，再对8279 进行初始化，并显示通道 10mV 量程，然后进行 IEEE488 接口芯片的初始化，现在机器基本进入正常，可以开中断，进行正常的主程序循环。由于 DAC 的数据输入端具有锁存功能，在置数中断程序中已经把数据送往DAC 进行转换，因而在主程序中不再对它送数，这样有利于减小输出噪音和纹波。（2）键盘中断模块本机 16 个键的管理全部由 8/279 完成，每当有一个按键按下时，8279 首先把该键的键值存入内部 FIFO RAM,然后向 CPU 提出中断申请，CPU 响应中断后读该 FIFO RAM 中的键值，根据键值的不同转向不同的键处理子程序模块。其中包括：通道转换、量程转换、置数、校准、清零等 16 个子程序，这里以量程转换子程序为例作一简要说明。图 8-18 为综合了电压量程和电流量程的子程序模
