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為了測試電子顯微鏡高穩定線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，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為開發平臺，可以實時采集處理線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的物鏡線圈電源。結果表明，該測試系統精度高，反應快，使用方便，滿足自動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場發射槍透射電子顯微鏡的研制過程中，其線圈恒流電源的穩定度要求甚高，特別是物鏡線圈恒流電源，其線圈電流穩定度達到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開展工作。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，作者開發了實用化的基于Lab-VIEW虛擬平臺的線圈電源高穩定度的在線自動測試系統。本文以物鏡線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，線圈電源給線圈與采樣電阻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GBIB接口連線輸入到計算機，計算機進行分析處理并實時顯示。 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。線圈電源穩定度最高為物鏡線圈電源，要求線圈電流穩定度為2 ppm/min，因此3458A數字多用表可以滿足要求。 該系統的數據采集過程為：數字多用表3458A具有標準的GPIB接口，通過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》，線圈電源穩定度的定義為在一定時間內采樣電壓變化量與該時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反映線圈電源的狀況。 測試過程是：讓線圈電源穩定工作一段時間，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個區間，計算每個區間的取樣電壓變化量，然后求10個區間的電壓變化量的算術平均值，具體可按式(1)計算線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次算術平均值;VSV為取樣電壓的標稱值。 2系統的軟件設計 本系統在虛擬儀器開發平臺LabVIEW 8.5環境下開發，編寫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，數據的實時圖形顯示，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進行相關處理。程序流程簡圖如圖2所示。 圖2 程序流程簡圖 設計的采集程序界面如圖3所示，當點擊開始，設置每秒鐘的采樣點數與間隔時間(積分時間)，點擊開始存儲文件后就開始采集數據顯示并存儲。可以根據即時波形圖與整體波形圖來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函數來完成，有關特點如下： VISA是在所有LabVIEW工作平臺上控制VXI、GPIB、RS 232以及其他種類儀器的單接口程序庫。采用了VISA標準，就不考慮時間及儀器I/O選擇項，驅動軟件相互之間可以通用。對3458A進行遠程操作包括三部分：讀或改變GPIB地址、給萬用表發指令、從萬用表讀數，為正常使用3458A的各項功能需對3458A進行各項必要的配置。 圖3 操作界面圖 2.1.1初始化3458A 首先配置GPIB地址，通常3458A出廠時預留的地址默認為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發指令“ID-”，儀器將會返回“HP3458A”，因此利用這一點就會很方便的知道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 通電后3458A首先處在power-on狀態，此狀態下trigger arm，trigger，sample events事件都預設置為AUTO模式，這使得萬用表處于不斷的讀數狀態，所以在為萬用表的測量設置之前，必須先懸掛讀數，使其不在讀數狀態。解決此問題的方法是presetting萬用表，即發送“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，則需發送FUNC DCV命令至3458A，DCV為FUNC的第1個參量，第2個參數口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：在每次讀數前萬用表3458A取樣輸入數據，并且自動選擇測量范圍，因此這種方式需要花費更多的測量時間。在power-on/PRESET NORM狀態下，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，則將設置萬用表3458A的最大輸入電壓為2.5 V，萬用表白動選擇量程為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的抗噪聲，配置A/D轉換器的因素有三個：參考頻率、綜合時間和分辨率。參考頻率與萬用表抵制噪聲的能力有關，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;綜合時間為A/D轉換器測量輸入信號的時間，可以用NPIC命令或APER命令來設置綜合時間，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，則綜合時間為20 ms×10=200 ms;在測量DC或電阻時，分辨率是取決于A/D轉換器的綜合時間的，當定義分辨率時，就相當于間接定義了綜合時間，其程序框圖如圖7所示。 圖7 配置3458A的A/D 2.3設置3458A的觸發事件 若要使萬用表讀數，則必須按順序執行以下三個事件：觸發端事件、觸發事件和取樣事件。 (1)觸發端事件使能觸發事件，用TARM命令定義。 (2)觸發事件使能取樣事件，用TRIG命令定義。 (3)當取樣事件發生時，萬用表讀一次數。然后按照定義好的讀數次數，萬用表循環讀數。用NRDGS命令定義，第一個參量為每次觸發事件后讀數個數，第2個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(測試兩表筆短接時電壓值即電壓表的零漂)進行測量，在實驗室環境下得到如圖9所示的測試曲線。當3458A數字表穩定工作時，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1 V時，可以達到1 ppm的測試精度。 圖9 3458A零漂曲線圖 然后使用該系統測試了電子顯微鏡的物鏡線圈恒流電源的穩定度。由于線圈恒流電源中，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圈電流的穩定度。當電源工作比較穩定時，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數據來進行處理計算，就可以得到電源的1 min穩定度。 圖10 測試數據圖 4結語 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，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為開發平臺，可以實時采集處理線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的物鏡線圈電源。通過實踐應用，在多路高穩定的電源穩定度測試中，該系統具有高精度，方便與高效等優點。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，同時節省大量的人力物力，提高了工作的效率。 |
