開機特性智能校準裝置的設計

肖娜麗，沈明炎，黃 洪，王曉群，高銘思

(福建省計量科學研究院，福建 福州 350003)

0 引言

開機特性是反映晶振在7 h內頻率漂移程度的參數，是評價以晶體振蕩器[1]作為時間基準的各類儀器的重要指標。時鐘測試儀類電力儀器(如時鐘測試儀、精密時鐘源、時基頻率儀等)是用于測試生產過程中電能表計時性能的重要儀器。采用晶振作為時間基準，其計量性能直接影響電能表計時的準確性，涉及廣大電力用戶的切身利益[2]。然而，采用傳統方法進行開機特性校準時，存在送檢量多、輸出頻率差異大、耗時長、時間間隔難以把控和數據處理繁瑣等問題，給開機特性的校準帶來諸多困難。

為此，提出一種開機特性智能校準裝置的設計方案，并開展開機特性的自動測試。該裝置具備21個校準通道，有效解決了上述問題。

1 傳統校準方法及存在問題

根據JJG 180-2002《電子測量儀器內石英晶體振蕩器》檢定規程、JJF 1662-2017《時鐘測試儀校準規范》等規程規范的相關要求，在校準時鐘測試儀等儀器的晶振準確度[3]時需進行開機特性的校準。根據該項目的校準要求，在進行適當的預熱時間后開始校準，需連續讀取3個晶振數據求取平均值，計算相對平均頻率偏差[4]；每隔1 h重復上述操作，持續7 h，最終得到8組數據，從而計算開機特性的結果。

目前,用于校準開機特性的方法主要有以下兩種。

(1)采用頻標比對器及配套軟件自動校準。

該方法要求被校晶振輸出頻率為1 MHz、5 MHz、10 MHz等常見的頻率值，通用計數器[5]類儀器可采用此方法。但時鐘測試儀類電力儀器的晶振輸出頻率為100 kHz、500 kHz、625 kHz等，因頻點特殊，不符合頻標比對器的工作要求，故此方法不適用于該類儀器的校準。

(2)手動校準。

通過人工操作記錄的方法，可完成時鐘測試儀類電力儀器的校準工作，但存在以下幾個問題。

①工作效率低：由開機特性的校準程序可知，該項目的校準耗時長、工作繁復，試驗人員的工作時間利用率不足1%。

②時間間隔難以準確控制：在手動操作和記錄的條件下無法保證同一時間間隔記錄數據，較易導致試驗過程引入人為誤差。

③數據處理繁瑣：每校準一臺時鐘測試儀需對24個數據進行平均值處理，再對8個平均值計算相對平均頻率偏差相對值，最終計算極差得出開機特性。數據分析處理需耗費大量的時間和精力，繁瑣的計算過程也會加大校準結果處理不當的風險。

2 開機特性智能校準裝置的設計及實現

本文設計一種開機特性智能校準裝置，適用于晶振準確度低于1×10-9的時鐘測試儀類電力儀器的校準，并可解決上述問題。

2.1 裝置原理

裝置由外接晶振、標準器、控制器、控制程序等幾大部分組成。根據晶振校準的規定，標準器的頻率準確度要比被檢儀器高一個數量級，故選用銣原子頻率標準[6](頻率準確度5×10-11)作為外接晶振，提高整套校準系統的晶振準確度。選用12位顯示位數的等精度頻率分析儀作為標準器，可滿足輸出頻率為1 Hz～20 GHz的任意頻率點的校準需求。研制智能校準控制器，提供多臺儀器同時校準的條件，消除人為誤差。此外，配合硬件部分編寫基于LabVIEW[7]的控制程序，組成一套開機特性智能校準裝置。開機特性智能校準裝置系統原理如圖1所示。

圖1 開機特性智能校準裝置原理圖

2.2 智能校準控制器的硬件設計

智能校準控制器主要實現以下功能：①提供1 Hz～20 GHz寬頻帶的頻率校準條件；②為試驗提供多通道選擇的條件；③配合校準程序完成通道的自由切換。

為實現上述功能，智能校準控制器主要由射頻開關組和控制模塊兩部分組成。其中，射頻開關選用安捷倫公司生產的87106 B型射頻開關[8]，可滿足DC-20 GHz高頻寬的校準需求。該射頻開關組由一個射頻開關提供3路級聯信號，用于控制其他3個射頻開關，外加剩余的3路開關，組成21路開關組，保證整套系統可同時校準21臺被檢儀器。控制模塊則由CPU、電源轉換電路、接口電路、開關選擇電路組成。其中，STM32F103RT6單片機[9]具有低功耗、輸入/輸出口多、端口資源豐富等優點，選用該單片機作為CPU，主要負責對各組成模塊進行協調和全面管理，實現各類信息的接收和指令的下達；電源轉換電路選用MP2403 DN降壓芯片，將供電電壓5 V降為3.3 V，用于保障單片機及其他電路的正常供電；接口電路選用PL2303芯片進行USB-RS-232的轉換，達到RS232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的目的；開關選擇電路選用74HC595型位移緩存器作為主芯片達到控制21路射頻開關通斷的目的。

2.3 程序設計

開機特性校準流程如圖2所示。

圖2 開機特性校準流程圖

上位機程序采用LabVIEW編寫[10]，包括通道選擇模塊、試驗項目選擇模塊、波形顯示模塊及數據讀取模塊[11]。上位機程序控制整套裝置，將時鐘測試儀晶振的輸出信號送至頻率分析儀的輸入端后連續測量三次取算術平均值作為一次測量結果，記為按式(1)計算晶振的相對平均頻率偏差yi(τ)，連續測量7 h。重復上述數據采集及數據處理，共得到8個yi(τ)，按式(2)計算開機特性V并提供給用戶。

(1)

V=ymax(τ)-ymin(τ)

(2)

2.4 裝置性能與優勢

經評定，該套裝置的相對擴展不確定度為1.0×10-9，可用于開展時鐘測試儀類電力儀器的校準工作。該套裝置具備以下幾個優勢。

①適用頻段寬：該裝置提供1 Hz～20 GHz任意頻點的校準條件，用戶可在同一時間不同通道上進行不同校準頻點的校準工作，擴展了該裝置的運用范圍。

②準確控制時間間隔：該裝置利用計算機時間控制時間間隔和通道切換時間，有效避免人工切換引入的誤差，確保任一通道上同臺儀器的時間間隔一致，保證校準數據有效可靠。

③自動數據處理：該裝置自動完成整個實驗的數據采集、分析和處理， 為試驗人員省去繁瑣的處理工作，避免不必要的人為錯誤，保證結果準確無誤。

④高效校準：該裝置人機交互界面友好，試驗人員只要連接好儀器，即可自動測試；且用戶可隨時暫停當前試驗，并加入新的試驗儀器參與測試，同一時間可保證21臺儀器同時校準，最大限度壓縮空閑時間，有效提高校準效率。

⑤便于攜帶：該套裝置質量輕、體積小，方便試驗人員開展現場試驗。

3 智能校準裝置的性能驗證

因頻標比對器及配套軟件的校準方法已通過法定計量機構考核和CNAS認可，故采用與該方法比對的方式驗證開機特性智能校準裝置的性能。參加比對的對象為頻標比對器及配套軟件、開機特性智能校準裝置；比對樣品為通用計數器；比對頻率為10 MHz。開機特性比對結果如表1所示。

表1 開機特性結果比對結果

經計算，頻標比對器及配套軟件測試的開機特性結果為2.5×10-9，其相對擴展不確定度為1.0×10-9(k=2); 開機特性智能校準裝置的開機特性結果為2.6×10-9，其相對擴展不確定度為1.0×10-9(k=2)。通過比較同一時刻測試結果的差值可以看出，兩套裝置的差值小于5×10-10，遠遠小于擴展不確定度；由式(3)可得，比對結果的En值小于1，證明該裝置符合要求。經重復性和穩定性測試，該裝置完全滿足相關規程要求。

(3)

4 結束語

開機特性智能校準裝置滿足時鐘測試儀類電力儀器的校準需求，相對擴展不確定度為1.0×10-9，具有適用頻段寬、準確控制時間間隔、自動數據處理、高效校準、便于攜帶等優點。

經比對，本裝置開機特性的比對結果En值小于1，重復性和穩定性符合相關規程規范的試驗要求，較好地解決了時鐘測試儀類電力儀器開機特性的校準難題。