虛擬儀器的校準
1 引言
隨著科學技術的發(fā)展舍哄，基于計算機的測量儀器壕哩，即我們常說的虛擬儀器與計算機聯(lián)系日益緊密噩拼，虛擬儀器由于設置靈活，數(shù)據(jù)處理功能完善等特點跟狱，應用范圍幾乎覆蓋了測試的各個領域：從數(shù)據(jù)采集俭厚、信號調(diào)理、聲音和振動測量驶臊、視覺挪挤、運動、儀器控制关翎、信號發(fā)生电禀、信號測量、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊領域無所不能笤休，并且隨著計算機性能的不斷提高和虛擬儀器卡的類型不斷增加尖飞，更多的用戶接受虛擬儀器的概念，使得虛擬儀器的運用范圍不斷擴大店雅。
2 虛擬儀器的構(gòu)成
傳統(tǒng)測試儀器主要由輸入/輸出部分政基，電源部分，儀器內(nèi)部核心闹啦，顯示控制單元等組成沮明。對于虛擬儀器而言辕坝，顯示控制部分改由計算機實現(xiàn)，儀器內(nèi)部核心部分為各種類型總線結(jié)構(gòu)的虛擬儀器卡施式。虛擬儀器作為一種新概念的測試儀器酷卖，就其功能而言，是真實的儀器涎花，具有與傳統(tǒng)測試儀器相同的功能喊宿；而虛擬儀器中“虛擬”的含義是指用軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中許多硬件來實現(xiàn)的功能，其核心為虛擬儀器卡瞒酪。為了使硬件工程師也能夠完成測試軟件的編寫荞宰，NI等公司除了提供虛擬儀器的測試板卡外，還開發(fā)了專門用于虛擬儀器編程的圖形化編程語言测佛，如LABVIEW等度潜，并以子VI形式向用戶提供大量測量算法的軟件包，用戶可以方便地用這些完成常規(guī)的虛擬儀器測量任務影凿，從而大大降低了虛擬儀器開發(fā)的復雜性致殉，從而使虛擬儀器的廣泛使用成為可能。
3 虛擬儀器校準的必要性
虛擬儀器的測量準確度與所采用的虛擬儀器卡的準確度及測試軟件有關第勉，而測試軟件中的算法等在設計時已經(jīng)考慮（比如進行多次平均以減少單次測量誤差）逃铝，因此，虛擬儀器的測量準確度主要取決于虛擬儀器板卡的準確度螺句。
大家都知道，測試儀器的測量準確度是按一定的因子變化的橡类，測量儀器內(nèi)部所使用的電子元器件的老化蛇尚，儀器的使用時間，環(huán)境變化顾画，以及誤用都會影響測量結(jié)果準確度取劫。
通過按照一定的時間間隔將測量儀器的測試結(jié)果與溯源到國家基準的標準儀器的標準值進行比較，將測量不確定度量化研侣，以確認測量儀器是否工作在儀器技術指標內(nèi)谱邪，這就是校準的目的。
與傳統(tǒng)測量儀器一樣庶诡，虛擬儀器也有一個校準周期惦银，必須定期校準以確保其測量準確度。虛擬儀器的校準與傳統(tǒng)的測試儀器的校準的相同之處是與傳統(tǒng)儀器一樣末誓，也需要定期使用標準儀器進行外部校準扯俱；不同之處是虛擬儀器的校準是僅對虛擬儀器卡進行校準。
3.1 校準虛擬儀器卡是否滿足虛擬儀器校準要求
前面已經(jīng)說過酝凄，校準虛擬儀器只需校準虛擬儀器卡食迈；但是校準虛擬儀器卡所使用的計算機是校準實驗室內(nèi)的校準計算機维似，而不是原來所用的配套計算機。也許有人會問嘿惜，這樣校準后顺诽，校準后的虛擬儀器卡用于原來的計算機時，是否還保持在實驗室校準后的技術指標坯公？
按照檢定規(guī)程和校準規(guī)范韵披，校準任何儀器都應在滿足環(huán)境要求的實驗室進行。實際使用時坑搀，有可能出現(xiàn)環(huán)境條件與實驗室的環(huán)境條件有所不同笑院，由于虛擬儀器的設計是有一定的使用環(huán)境條件的，在滿足上述條件的環(huán)境下使用虛擬儀器時溜封，仍然滿足技術說明書要求类玉。將在校準實驗室內(nèi)校準后的虛擬儀器卡安裝到一臺新的計算機所構(gòu)成的測試儀器與將某一環(huán)境中的傳統(tǒng)的數(shù)字多用表搬到另一個環(huán)境中使用相比，二者之間并無本質(zhì)區(qū)別踢寂。因此嫂茸，校準虛擬儀器卡完全能夠滿足虛擬儀器的校準要求。
3.2 虛擬儀器的內(nèi)部自校準能否代替外部校準
當今傳統(tǒng)的測試儀器數(shù)字示波器或者頻譜分析儀就具有內(nèi)部自校準功能弄兜，與傳統(tǒng)測試儀器類似药蜻，虛擬儀器具有內(nèi)部自校準功能。
內(nèi)部自校準目的是補償由于儀器工作壞境變化替饿、內(nèi)部校準溫度的變化和可能影響測量的其它因素對虛擬儀器的影響语泽，以提高虛擬儀器的測量準確度。內(nèi)部校準是調(diào)用內(nèi)部校準測量電路的軟件视卢，與儀器內(nèi)部的標準值比較踱卵。
你也許會問，既然虛擬儀器具有了內(nèi)部自校準功能据过，是否仍需要將虛擬儀器卡定期送至校準實驗室進行定期外部校準惋砂？
回答是肯定的，雖然虛擬儀器已經(jīng)具有了內(nèi)部自校準功能绳锅，但是也需要定期（一般是每年一次）進行送實驗室外部校準西饵。原因如下：
第一：虛擬儀器卡自校準時，所顯示的結(jié)果為pass或fail鳞芙，不顯示實際參數(shù)的測試結(jié)果值眷柔。
第二：自校準參數(shù)不能全部覆蓋虛擬儀器卡的所有參數(shù)。
第三：由于自校準需要儀器內(nèi)部提供一個用于自校準的標準值防弧，而這個內(nèi)部標準值是否滿足技術參數(shù)的要求也需要進行定期外部校準过拿。
第四：由于具有自校準功能的傳統(tǒng)測試儀器也需要定期外校準，因此，具有自校準功能的虛擬儀器也需要定期外送實驗室校準祸铁。
4 校準結(jié)果
為了使大家對虛擬儀器的校準項目睦氧、校準所需要的儀器以及技術指標等有一個直觀的認識，下面以NI公司E系列數(shù)據(jù)采集卡為例介紹實驗室校準秦谁，其它的板卡比如示波器卡世砰，信號發(fā)生器卡，頻率計卡以称、以及射頻信號發(fā)生以及分析卡再此不再贅敘友合。
4.1 校準所使用的標準儀器
數(shù)據(jù)采集卡的校準涉及到電壓輸入、電壓輸出和時基等參數(shù)的校準烘幅，根據(jù)美國NI公司的要求颊夷，所需要選擇的標準器如下
表1校準NI公司E系列數(shù)據(jù)采集卡所需標準器
表2 E系列數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入校準結(jié)果
表3 E系列數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出校準結(jié)果
表4 5MHz頻率的校準結(jié)果
4.3 校準結(jié)果的解讀
從表2、表3钉答、表4中可以看出础芍，校準結(jié)果包括了E系列數(shù)據(jù)采集卡所需要校準的全部參數(shù)：模擬輸入信號測量準確度，輸出信號準確度数尿，5MHz頻率準確度仑性。
校準時，校準程序要求虛擬儀器卡預熱15分鐘右蹦，緊接著進行內(nèi)部自校準诊杆。
對于模擬輸入信號的測量準確度，校準參數(shù)選擇為10V量程范圍內(nèi)增益為0.5,1,10,100時的上限何陆、下限和零輸入時模擬電壓測量準確度晨汹，特別是增加的0輸入時的值的校準，目的是用于校準零點偏差贷盲。此項校準所使用的標準器為Fluke5500多功能校準器淘这。
對于模擬輸出信號準確度：校準參數(shù)選擇為通道0和通道1中20V量程時的輸出電壓準確度。此項校準所使用的標準器為6位半數(shù)字多用表晃洒。
對于5MHz頻率準確度的校準慨灭，通過頻率計直接測量朦乏。
Before為調(diào)整之前的校準結(jié)果球及，After為調(diào)整后的校準結(jié)果。另外可以看出罗炸，NI公司所給出的Before的low limit和high limit 比起After的Low Limt 和High Limit略大化歪，虛擬儀器卡的校準過程中進行了參數(shù)值的調(diào)整，這一點從Before值與After值之間有少許不同可以看出么歹。
由于本次數(shù)據(jù)是首先進行校準后再進行校準的敛档，因此，Before 和After之間的差別不是很大。
5 校準結(jié)果的不確定度評定
PCI-6024E校準結(jié)果測量不確定度涉及到電壓參數(shù)和頻率參數(shù)逐次，本文僅對4.9V電壓測量不確定度進行評定性谬，評定所使用的標準儀器為5520A多功能校準器。
5.1 測量不確定組成
測量不確定度由以下幾個方面組成
〗淄健（1）5520A輸出電壓準確度
×凇（2）測量重復性 （3）儀器顯示分辨率
5.2 標準測量不確定度評定
5.2.1 標準儀器5520A測量不確定度
5.3 測量不確定度合成
6 結(jié)論
同傳統(tǒng)測量儀器一樣虚育，虛擬儀器也需要定期送至具有校準能力的實驗室校準疲狼，以確保測量儀器始終在其所規(guī)定的技術指標范圍內(nèi)。作為上海市政府依法設立的法定計量機構(gòu)－上海市計量測試技術研究院在虛擬儀器的計量校準中負有義不容辭的責任衣式。為了更好的為客戶提供服務寸士，上海市計量測試技術研究院本部于2006年搬遷至上海的微電子中心浦東張江高科技園區(qū)張衡路1500號，計量校準能力有了很大的發(fā)展碴卧。上海市計量測試技術研究院下屬的電子與電氣計量技術研究所由原來的電磁室弱卡、無線電室以及光學室合并而成，計量覆蓋范圍從直流信號螟深、低頻信號谐宙、高頻信號、脈沖信號至無線電界弧、可見光凡蜻、直至不可見光，現(xiàn)在保存有國家基準垢箕、華東最高標準划栓、上海市最高標準數(shù)十項，擁有教授級高工2名条获，高工十多名忠荞。美國國家儀器公司（NI公司）考慮各種因素，并經(jīng)多方考察罪焰，決定將中國的校準中心設定于上海市計量測試技術研究院電子所锌瓤，校準范圍覆蓋其所有的產(chǎn)品（包括數(shù)據(jù)采集卡、信號發(fā)生器卡暴喂、示波器卡铝琐、頻率計卡、射頻信號發(fā)生器卡霜售、射頻信號分析儀卡瑟毡、下變頻器卡等所有的卡的類型。我們不但可以提供虛擬儀器卡的校準服務（calibration）矿退，而且包括出現(xiàn)超出其技術指標（specification）時的調(diào)整服務（adjustment）伸果，我們?yōu)榭蛻舻男实奶摂M儀器卡的數(shù)量也是在逐年提高板薛，現(xiàn)在已經(jīng)為NI中國公司的用戶近千塊虛擬儀器卡提供了校準服務，滿足了客戶的需求刊搁。另外石葫，也證明了虛擬儀器與傳統(tǒng)的測試儀器一樣，需要定期進行校準钻局。
參考文獻
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[4] 美國國家儀器公司（美國NI公司），PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡技術手冊.
∩吞省（作者：詹志強踩寇、石雷兵 單位：上海市計量測試技術研究院電子與電氣所）
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