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為了測試電子顯微鏡高穩定線(xiàn)圈恒流電源的穩定度，本文提出了一種基于高穩定電源虛擬測試系統設計方案。該方案中所設計的系統硬件平臺基于GPIB總線(xiàn)，以8位半數字多用表為高精度電壓采集設備，軟件系統以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺，可以實(shí)時(shí)采集處理線(xiàn)圈電流反饋的電壓信號。應用該系統測試了穩定度為2 ppm/min的物鏡線(xiàn)圈電源。結果表明，該測試系統精度高，反應快，使用方便，滿(mǎn)足自動(dòng)測試高穩定電源的需求。 0引言 一般電源穩定度的測試有眾多方法。在220 kV場(chǎng)發(fā)射槍透射電子顯微鏡的研制過(guò)程中，其線(xiàn)圈恒流電源的穩定度要求甚高，特別是物鏡線(xiàn)圈恒流電源，其線(xiàn)圈電流穩定度達到2 ppm/min.這就迫切需要搭建一套可靠，方便和高效的電源穩定度測試系統來(lái)開(kāi)展工作。目前，高穩定度測試系統常采用記錄儀方法，但其操作不方便，精度不高。 根據項目工作需要，作者開(kāi)發(fā)了實(shí)用化的基于Lab-VIEW虛擬平臺的線(xiàn)圈電源高穩定度的在線(xiàn)自動(dòng)測試系統。本文以物鏡線(xiàn)圈電源電流穩定度測試為例，介紹該系統的組成，測量原理及軟件編程實(shí)現，并給出數據處理方法及測量結果。 1測試系統硬件組成及原理 1.1系統組成 該測試系統組成結構如圖1所示，線(xiàn)圈電源給線(xiàn)圈與采樣電阻R提供電流，8位半數字多用表采集采樣電阻R上的電壓信號，電壓數字化數據經(jīng)GBIB接口連線(xiàn)輸入到計算機，計算機進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)顯示。 圖1 測試系統組成圖 本系統數字多用表采用Agilent公司3458A多用數字多用表。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/年電壓基準電壓穩定度。線(xiàn)圈電源穩定度最高為物鏡線(xiàn)圈電源，要求線(xiàn)圈電流穩定度為2 ppm/min，因此3458A數字多用表可以滿(mǎn)足要求。 該系統的數據采集過(guò)程為：數字多用表3458A具有標準的GPIB接口，通過(guò)82357B模塊轉換成標準的USB接口，這樣就可以方便地與計算機連接。 1.2穩定度測試方法 根據國標《JB/T 9352-1999 ，透射電子顯微鏡試驗方法》，線(xiàn)圈電源穩定度的定義為在一定時(shí)間內采樣電壓變化量與該時(shí)間電壓平均值的比值。在上面的系統組成圖中，采樣電阻為非常穩定的金屬膜電阻，且置于恒溫油箱中，因此采樣電阻的電壓可以真實(shí)反映線(xiàn)圈電源的狀況。 測試過(guò)程是：讓線(xiàn)圈電源穩定工作一段時(shí)間，連續記錄采樣電壓，然后從中取出連續記錄10 min比較穩定的數據，以每1 min為一計算區間，10 min共10個(gè)區間，計算每個(gè)區間的取樣電壓變化量，然后求10個(gè)區間的電壓變化量的算術(shù)平均值，具體可按式(1)計算線(xiàn)圈電源的分鐘電壓穩定度： 式中：Sa為1 min電壓穩定度;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(chēng)值。 2系統的軟件設計 本系統在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW 8.5環(huán)境下開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)的程序完成的主要功能有：配置3458A數字電壓表，從電壓表內讀取數據，數據的實(shí)時(shí)圖形顯示，數據的文件存儲等功能。該系統設計了將數據存儲為。txt文件格式，事后可以用軟件Excel進(jìn)行相關(guān)處理。程序流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。 圖2 程序流程簡(jiǎn)圖 設計的采集程序界面如圖3所示，當點(diǎn)擊開(kāi)始，設置每秒鐘的采樣點(diǎn)數與間隔時(shí)間(積分時(shí)間)，點(diǎn)擊開(kāi)始存儲文件后就開(kāi)始采集數據顯示并存儲�？梢愿鶕磿r(shí)波形圖與整體波形圖來(lái)得到測量電壓的信息。 2.1配置3458A的程序設計 本系統中計算機與3458A的通信都使用LabVIEW的VISA函數來(lái)完成，有關(guān)特點(diǎn)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(lèi)儀器的單接口程序庫。采用了VISA標準，就不考慮時(shí)間及儀器I/O選擇項，驅動(dòng)軟件相互之間可以通用。對3458A進(jìn)行遠程操作包括三部分：讀或改變GPIB地址、給萬(wàn)用表發(fā)指令、從萬(wàn)用表讀數，為正常使用3458A的各項功能需對3458A進(jìn)行各項必要的配置。 圖3 操作界面圖 2.1.1初始化3458A 首先配置GPIB地址，通常3458A出廠(chǎng)時(shí)預留的地址默認為22，可以將其地址設置為：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(huì )返回“HP3458A”，因此利用這一點(diǎn)就會(huì )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。 圖4 初始化3458A 2.1.2預設置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事件都預設置為AUTO模式，這使得萬(wàn)用表處于不斷的讀數狀態(tài)，所以在為萬(wàn)用表的測量設置之前，必須先懸掛讀數，使其不在讀數狀態(tài)。解決此問(wèn)題的方法是presetting萬(wàn)用表，即發(fā)送“PRESET NORM”或者“PRESET FAST”命令，其程序框圖如圖5所示。 圖5 預設置3458A 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(gè)參量，第2個(gè)參數口r以定義測量分辨率，其設置方式包括以下兩方面： (1)Autorange方式：在每次讀數前萬(wàn)用表3458A取樣輸入數據，并且自動(dòng)選擇測量范圍，因此這種方式需要花費更多的測量時(shí)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，則將設置萬(wàn)用表3458A的最大輸入電壓為2.5 V，萬(wàn)用表白動(dòng)選擇量程為DC10 V，其程序框圖如圖6所示。 圖6 定義3458A的功能 2.2配置3458A的A/D轉換器程序設計 A/D轉換器的設置決定測量速度、分辨率、精度和電壓或電阻測量時(shí)的抗噪聲，配置A/D轉換器的因素有三個(gè)：參考頻率、綜合時(shí)間和分辨率。參考頻率與萬(wàn)用表抵制噪聲的能力有關(guān)，這里應注意當斷電或者Reset后，參考頻率值恢復為默認值，需重新設置參考頻率值;綜合時(shí)間為A/D轉換器測量輸入信號的時(shí)間，可以用NPIC命令或APER命令來(lái)設置綜合時(shí)間，例如若A/D轉換器的參考頻率設置為50 Hz，則其周期為1 50 =20 ms，假如設置10PLCs，則綜合時(shí)間為20 ms×10=200 ms;在測量DC或電阻時(shí)，分辨率是取決于A(yíng)/D轉換器的綜合時(shí)間的，當定義分辨率時(shí)，就相當于間接定義了綜合時(shí)間，其程序框圖如圖7所示。 圖7 配置3458A的A/D 2.3設置3458A的觸發(fā)事件 若要使萬(wàn)用表讀數，則必須按順序執行以下三個(gè)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(shí)，萬(wàn)用表讀一次數。然后按照定義好的讀數次數，萬(wàn)用表循環(huán)讀數。用NRDGS命令定義，第一個(gè)參量為每次觸發(fā)事件后讀數個(gè)數，第2個(gè)參量為定義取樣事件方式，其程序框圖如圖8所示。 圖8 設置3458A的觸發(fā)事件 3測試結果 使用該系統首先對3458A數字表的零漂(測試兩表筆短接時(shí)電壓值即電壓表的零漂)進(jìn)行測量，在實(shí)驗室環(huán)境下得到如圖9所示的測試曲線(xiàn)。當3458A數字表穩定工作時(shí)，得到其零漂小于1μV ，因此可以看出該系統具有相當高的精度，當測試電壓值超過(guò)1 V時(shí)，可以達到1 ppm的測試精度。 圖9 3458A零漂曲線(xiàn)圖 然后使用該系統測試了電子顯微鏡的物鏡線(xiàn)圈恒流電源的穩定度。由于線(xiàn)圈恒流電源中，其采樣電阻具有非常高的穩定度(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(xiàn)圈電流的穩定度。當電源工作比較穩定時(shí)，使用該系統采集采樣電阻兩端的數據以。txt文件格式存儲。使用Excel軟件可以方便地對存儲的數據進(jìn)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的10 min數據來(lái)進(jìn)行處理計算，就可以得到電源的1 min穩定度。 圖10 測試數據圖 4結語(yǔ) 本文提出了一種基于高穩定電源虛擬測試系統設計方案。該方案中所設計的系統硬件平臺基于GPIB總線(xiàn)，以8位半數字多用表為高精度電壓采集設備，軟件系統以L(fǎng)abVIEW為開(kāi)發(fā)平臺，可以實(shí)時(shí)采集處理線(xiàn)圈電流反饋的電壓信號。應用該系統測試了穩定度為2 ppm/min的物鏡線(xiàn)圈電源。通過(guò)實(shí)踐應用，在多路高穩定的電源穩定度測試中，該系統具有高精度，方便與高效等優(yōu)點(diǎn)。由于采用計算機軟件采集處理測試數據，可以減少人為的測量、處理誤差，同時(shí)節省大量的人力物力，提高了工作的效率。 |
