基于 LabVIEW的数字示波器自动校准系统

毛杰 1 李辉 2 曾翔 3

摘要：使用福禄克公司的示波器校准器9500B作为标准仪器，采用NI公司的GPIB-USB-HS作为GPIB总线控制器、利用labvIEW2010开发平台开发了数字示波器的自动校准系统。介绍了系统的组成以及具体的开发过程，并给出了开发程序。该系统可以自动完成数字示波器的方波幅度显示准确度和时基准确度的校准以及瞬态特征和带宽的测量，并对测量数据进行处理，生成测试报告。该系统已用于本实验室的校准工

作中，提高了工作效率，减少了人为误差。

关键词：9500B；LabVIEW；数字示波器；自动校准

中图分类号：TP216 文献标识码：A

0 引言

示波器在科研、实验、生产、检测等多个领域的应用非常广泛，并且发挥着极其重要的作用。随着数字技术的高速发展，数字示波器的性能逐渐完善，逐渐取代了模拟示波器，占领着主要市场。为了使示波器显示的波形准确可靠，需要定时对其进行校准。长期以来，人们都是手动对示波器进行校准，其中各种项目的重复测量、记录，不仅枯燥单调、耗费大量的人力和时间，而且会产生很大的人为误差，而自动校准系统把繁琐的人为的操作和读数改由计算机来完成，不仅提高了效率，同时又提高了测量数据的准确性，因此成为了示波器校准的发展趋势^[1-2]。

1 LabVIEW简介

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）是美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称NI公司）推出的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能，为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发的工具。LabVIEW自带的程序调试、仿真、和错误处

理等功能使程序的调试变得简单、方便^[3]。

2 系统的组成

本系统由示波器校准器9500B（带有源信号头）、计算机、GPIB控制器及电缆、被校示波器(带IEEE488接口)、打印机及其他测试接插件组成。结构框图如图1所示。

2.1 GPIB总线

GPIB是General Purpose Interface Bus的缩写，即通用接口总线。它含有24条并行的引脚电缆线、按照功能不同分为4种：8条数据线、5条总线管理线、3条握手线、8条接地回线。GPIB定义了连接器与缆线的机械和电气特性，并建立了含有规范的握手、寻址和传达等命令的通用协议，目前成为一种国际标准，遵循的协议为IEEE488。遵循这个协议不同厂商生产的各式可编程仪器都可以通过GPIB总线相互连接并进行通信^[4]。

2.2 GPIB-USB-HS控制器

由于普通电脑上没有GPIB接口，因而要实现计算机对示波器校准器和被校示波器的控制还需要一块GPIB控制器。本系统选用美国NI公司的GPIB-USB-HS控制器，它是GPIB-USB-B的升级版，接受高速USB2.0，完全兼容IEEE488.2，即插即用式安装和配置使它使用起来非常方便。通过小巧的GPIB-USB-HS可将任何带USB端口的计算机作为全功能、即插即用的IEEE488.2控制器使用，并且最多可控制14台可编程GPIB仪器。GPIB-USB-HS通过高速USB 2.0提供卓越的性能，使用标准IEEE 488握手协议可达1.8 MB/s，使用高速IEEE 488握手协议可达7.2 MB/s(HS488)。 GPIB-USB-HS体积小、重量轻，是使用不具内建I/O插槽的笔记本电脑或其它类型电脑实现便携式应用的理想选择。

3 软件设计

软件的设计是本系统的核心部分，本系统的软件是在LabVIEW2010开发环境下编写的。NI公司提供了示波器校准器9500B和市场上主流数字示波器的LabVIEW驱动程序，用户可以直接下载使用。

3.1 示波器校准器和被校示波器的控制程序

3.1.1 示波器校准器基本控制程序

示波器校准器9500B的控制程序主要包括：9500B的配置、波形的选择及具体参数的设置、发射模式的选择、9500B的释放等，程序如图2。

图2 9500B控制程序

3.1.2 被校示波器基本控制程序

被校示波器的控制程序主要包括：示波器的配置，通道及垂直刻度的设定、时基的设定、波形的采集、示波器的释放等，程序如图3。

图3 被校示波器控制程序

3.2 系统整体程序的设计

系统主程序如图4，主要包括电压、时基、带宽、RISE、WORD五个子程序，分别用来实现方波幅度准确度和时基准确度的校准、带宽和瞬态特征的

测量以及测试报告的生成。

图4 系统主程序

3.2.1方波幅度准确度与时基准确度校准子程序的设计

方波幅度准确度反映了数字示波器对波形的垂直显示刻度的准确性，具体过程是首先制定一个电压数组和示波器参数数组，然后在循环过程中依次分别提取这两个数组里的数据发送指令给示波器校准器和被校示波器来设置示波器校准器发射的方波幅度和被校示波器的具体参数。最后使用LabVIEW中的波形幅度测量函数来测量示波器中显示的方波幅度，并通过这个数值和示波器校准器发射的标准值计算出该校准点的误差，程序如图5。

图5 方波幅度准确度校准程序

时基准确度反映了数字示波器对波形的水平显示刻度的准确性，具体过程与方波幅度准确度的校准过程相似，只是这里使9500B发射的是正弦波而不是方波，并且在循环过程中设依次改变的参数不是电压而是周期，程序如图6。

图6 时基准确度校准程序

3.2.2 带宽测量子程序的设计

带宽是示波器的重要指标之一，即所谓-3dB点，也就是在示波器输入端输入正弦波信号时，幅度衰减至原信号幅度的0.707倍的那个频率点。本系统采用取中点法逐步逼近实际带宽值。图7和图8分别为示波器带宽测量的流程图和程序图。在图8中X为待检示波器的带宽上限，一般取仪器标称带宽的2倍，Y与y是分别在基准频率和x频率下的正弦波在示波器中显示的幅度，N为循环次数。

图8 带宽测量程序

3.2.3 瞬态特征测量子程序的设计

瞬态特征反映了数字示波器在显示快速上升沿或者下降沿型号时所呈现的特性，本系统使用LabVIEW软件控制9500B发射上升沿信号，并发送指令设置被校示波器参数使之处于最佳的显示状态，然后调用的瞬态测量函数测量上升时间、下冲和过冲，程序如图9。

图9瞬态特征测量程序

3.2.4 生成报告子程序的设计

LabVIEW软件本身带有报告生成选版，利用它可以配置和创建包含VI文件或者数据采集和分析结果的报表，并且可以选择保存或者打印报表。如果想要创建更高级的报表，还可以使用用于Microsoft Office的LabVIEW报表生成工具包，它扩展了在Microsoft Word或Excel中编程创建报表的功能。本系统使用该工具包生成了word格式的测试报告，不仅将表格、数组、波形图等测试数据添加到报告中，并且自动设置报告的页眉来记录仪器的型号、编号以及测试时间等信息，程序如图10。

5 结论

本系统实现了数字示波器的自动校准，节约了人力和时间，使示波器的校准变得简单。测试数据全部由LabVIEW中的测量函数自行读取，减少了人为误差，测试结果更加准确、可靠。

参考文献：

[1] 付永杰，郭占山，毕鹏. 5520示波器自动检定系统的设计[J]. 工业计量, 2003(3)：24-25.

[2] 蔡静莉. 9500B示波器自动检定系统[J] .现代测量与实验室管理，2006(1)：11-13.

[3] 王磊，陶梅. 精通LabVIEW 8.X [M]. 北京:电子工业出版社，2008.

[4] 张桐, 陈国顺，王正林精通LabVIEW程序设计[M]. 北京:电子工业出版社,2008.

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