开机特性智能校准装置的设计

肖娜丽，沈明炎，黄 洪，王晓群，高铭思

(福建省计量科学研究院，福建 福州 350003)

0 引言

开机特性是反映晶振在7 h内频率漂移程度的参数，是评价以晶体振荡器[1]作为时间基准的各类仪器的重要指标。时钟测试仪类电力仪器(如时钟测试仪、精密时钟源、时基频率仪等)是用于测试生产过程中电能表计时性能的重要仪器。采用晶振作为时间基准，其计量性能直接影响电能表计时的准确性，涉及广大电力用户的切身利益[2]。然而，采用传统方法进行开机特性校准时，存在送检量多、输出频率差异大、耗时长、时间间隔难以把控和数据处理繁琐等问题，给开机特性的校准带来诸多困难。

为此，提出一种开机特性智能校准装置的设计方案，并开展开机特性的自动测试。该装置具备21个校准通道，有效解决了上述问题。

1 传统校准方法及存在问题

根据JJG 180-2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器》检定规程、JJF 1662-2017《时钟测试仪校准规范》等规程规范的相关要求，在校准时钟测试仪等仪器的晶振准确度[3]时需进行开机特性的校准。根据该项目的校准要求，在进行适当的预热时间后开始校准，需连续读取3个晶振数据求取平均值，计算相对平均频率偏差[4]；每隔1 h重复上述操作，持续7 h，最终得到8组数据，从而计算开机特性的结果。

目前,用于校准开机特性的方法主要有以下两种。

(1)采用频标比对器及配套软件自动校准。

该方法要求被校晶振输出频率为1 MHz、5 MHz、10 MHz等常见的频率值，通用计数器[5]类仪器可采用此方法。但时钟测试仪类电力仪器的晶振输出频率为100 kHz、500 kHz、625 kHz等，因频点特殊，不符合频标比对器的工作要求，故此方法不适用于该类仪器的校准。

(2)手动校准。

通过人工操作记录的方法，可完成时钟测试仪类电力仪器的校准工作，但存在以下几个问题。

①工作效率低：由开机特性的校准程序可知，该项目的校准耗时长、工作繁复，试验人员的工作时间利用率不足1%。

②时间间隔难以准确控制：在手动操作和记录的条件下无法保证同一时间间隔记录数据，较易导致试验过程引入人为误差。

③数据处理繁琐：每校准一台时钟测试仪需对24个数据进行平均值处理，再对8个平均值计算相对平均频率偏差相对值，最终计算极差得出开机特性。数据分析处理需耗费大量的时间和精力，繁琐的计算过程也会加大校准结果处理不当的风险。

2 开机特性智能校准装置的设计及实现

本文设计一种开机特性智能校准装置，适用于晶振准确度低于1×10-9的时钟测试仪类电力仪器的校准，并可解决上述问题。

2.1 装置原理

装置由外接晶振、标准器、控制器、控制程序等几大部分组成。根据晶振校准的规定，标准器的频率准确度要比被检仪器高一个数量级，故选用铷原子频率标准[6](频率准确度5×10-11)作为外接晶振，提高整套校准系统的晶振准确度。选用12位显示位数的等精度频率分析仪作为标准器，可满足输出频率为1 Hz～20 GHz的任意频率点的校准需求。研制智能校准控制器，提供多台仪器同时校准的条件，消除人为误差。此外，配合硬件部分编写基于LabVIEW[7]的控制程序，组成一套开机特性智能校准装置。开机特性智能校准装置系统原理如图1所示。

图1 开机特性智能校准装置原理图

2.2 智能校准控制器的硬件设计

智能校准控制器主要实现以下功能：①提供1 Hz～20 GHz宽频带的频率校准条件；②为试验提供多通道选择的条件；③配合校准程序完成通道的自由切换。

为实现上述功能，智能校准控制器主要由射频开关组和控制模块两部分组成。其中，射频开关选用安捷伦公司生产的87106 B型射频开关[8]，可满足DC-20 GHz高频宽的校准需求。该射频开关组由一个射频开关提供3路级联信号，用于控制其他3个射频开关，外加剩余的3路开关，组成21路开关组，保证整套系统可同时校准21台被检仪器。控制模块则由CPU、电源转换电路、接口电路、开关选择电路组成。其中，STM32F103RT6单片机[9]具有低功耗、输入/输出口多、端口资源丰富等优点，选用该单片机作为CPU，主要负责对各组成模块进行协调和全面管理，实现各类信息的接收和指令的下达；电源转换电路选用MP2403 DN降压芯片，将供电电压5 V降为3.3 V，用于保障单片机及其他电路的正常供电；接口电路选用PL2303芯片进行USB-RS-232的转换，达到RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利连接的目的；开关选择电路选用74HC595型位移缓存器作为主芯片达到控制21路射频开关通断的目的。

2.3 程序设计

开机特性校准流程如图2所示。

图2 开机特性校准流程图

上位机程序采用LabVIEW编写[10]，包括通道选择模块、试验项目选择模块、波形显示模块及数据读取模块[11]。上位机程序控制整套装置，将时钟测试仪晶振的输出信号送至频率分析仪的输入端后连续测量三次取算术平均值作为一次测量结果，记为按式(1)计算晶振的相对平均频率偏差yi(τ)，连续测量7 h。重复上述数据采集及数据处理，共得到8个yi(τ)，按式(2)计算开机特性V并提供给用户。

(1)

V=ymax(τ)-ymin(τ)

(2)

2.4 装置性能与优势

经评定，该套装置的相对扩展不确定度为1.0×10-9，可用于开展时钟测试仪类电力仪器的校准工作。该套装置具备以下几个优势。

①适用频段宽：该装置提供1 Hz～20 GHz任意频点的校准条件，用户可在同一时间不同通道上进行不同校准频点的校准工作，扩展了该装置的运用范围。

②准确控制时间间隔：该装置利用计算机时间控制时间间隔和通道切换时间，有效避免人工切换引入的误差，确保任一通道上同台仪器的时间间隔一致，保证校准数据有效可靠。

③自动数据处理：该装置自动完成整个实验的数据采集、分析和处理， 为试验人员省去繁琐的处理工作，避免不必要的人为错误，保证结果准确无误。

④高效校准：该装置人机交互界面友好，试验人员只要连接好仪器，即可自动测试；且用户可随时暂停当前试验，并加入新的试验仪器参与测试，同一时间可保证21台仪器同时校准，最大限度压缩空闲时间，有效提高校准效率。

⑤便于携带：该套装置质量轻、体积小，方便试验人员开展现场试验。

3 智能校准装置的性能验证

因频标比对器及配套软件的校准方法已通过法定计量机构考核和CNAS认可，故采用与该方法比对的方式验证开机特性智能校准装置的性能。参加比对的对象为频标比对器及配套软件、开机特性智能校准装置；比对样品为通用计数器；比对频率为10 MHz。开机特性比对结果如表1所示。

表1 开机特性结果比对结果

经计算，频标比对器及配套软件测试的开机特性结果为2.5×10-9，其相对扩展不确定度为1.0×10-9(k=2); 开机特性智能校准装置的开机特性结果为2.6×10-9，其相对扩展不确定度为1.0×10-9(k=2)。通过比较同一时刻测试结果的差值可以看出，两套装置的差值小于5×10-10，远远小于扩展不确定度；由式(3)可得，比对结果的En值小于1，证明该装置符合要求。经重复性和稳定性测试，该装置完全满足相关规程要求。

(3)

4 结束语

开机特性智能校准装置满足时钟测试仪类电力仪器的校准需求，相对扩展不确定度为1.0×10-9，具有适用频段宽、准确控制时间间隔、自动数据处理、高效校准、便于携带等优点。

经比对，本装置开机特性的比对结果En值小于1，重复性和稳定性符合相关规程规范的试验要求，较好地解决了时钟测试仪类电力仪器开机特性的校准难题。