虛擬儀器的校準

1 引言

隨著科學技術的發展，基于計算機的測量儀器，即我們常說的虛擬儀器與計算機聯系日益緊密，虛擬儀器由于設置靈活，數據處理功能完善等特點，應用范圍幾乎覆蓋了測試的各個領域：從數據采集、信號調理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、信號發生、信號測量、分布式I/O到CAN接口等工業通訊領域無所不能，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，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。

2 虛擬儀器的構成

傳統測試儀器主要由輸入/輸出部分，電源部分，儀器內部核心，顯示控制單元等組成。對于虛擬儀器而言，顯示控制部分改由計算機實現，儀器內部核心部分為各種類型總線結構的虛擬儀器卡。虛擬儀器作為一種新概念的測試儀器，就其功能而言，是真實的儀器，具有與傳統測試儀器相同的功能；而虛擬儀器中“虛擬”的含義是指用軟件來實現傳統儀器中許多硬件來實現的功能，其核心為虛擬儀器卡。為了使硬件工程師也能夠完成測試軟件的編寫，NI等公司除了提供虛擬儀器的測試板卡外，還開發了專門用于虛擬儀器編程的圖形化編程語言，如LABVIEW等，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的虛擬儀器測量任務，從而大大降低了虛擬儀器開發的復雜性，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，而測試軟件中的算法等在設計時已經考慮（比如進行多次平均以減少單次測量誤差），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。

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，測量儀器內部所使用的電子元器件的老化，儀器的使用時間，環境變化，以及誤用都會影響測量結果準確度。

通過按照一定的時間間隔將測量儀器的測試結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，以確認測量儀器是否工作在儀器技術指標內，這就是校準的目的。

與傳統測量儀器一樣，虛擬儀器也有一個校準周期，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的測試儀器的校準的相同之處是與傳統儀器一樣，也需要定期使用標準儀器進行外部校準；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

前面已經說過，校準虛擬儀器只需校準虛擬儀器卡；但是校準虛擬儀器卡所使用的計算機是校準實驗室內的校準計算機，而不是原來所用的配套計算機。也許有人會問，這樣校準后，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？

按照檢定規程和校準規范，校準任何儀器都應在滿足環境要求的實驗室進行。實際使用時，有可能出現環境條件與實驗室的環境條件有所不同，由于虛擬儀器的設計是有一定的使用環境條件的，在滿足上述條件的環境下使用虛擬儀器時，仍然滿足技術說明書要求。將在校準實驗室內校準后的虛擬儀器卡安裝到一臺新的計算機所構成的測試儀器與將某一環境中的傳統的數字多用表搬到另一個環境中使用相比，二者之間并無本質區別。因此，校準虛擬儀器卡完全能夠滿足虛擬儀器的校準要求。

3.2 虛擬儀器的內部自校準能否代替外部校準

當今傳統的測試儀器數字示波器或者頻譜分析儀就具有內部自校準功能，與傳統測試儀器類似，虛擬儀器具有內部自校準功能。

內部自校準目的是補償由于儀器工作壞境變化、內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，以提高虛擬儀器的測量準確度。內部校準是調用內部校準測量電路的軟件，與儀器內部的標準值比較。

你也許會問，既然虛擬儀器具有了內部自校準功能，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？

回答是肯定的，雖然虛擬儀器已經具有了內部自校準功能，但是也需要定期（一般是每年一次）進行送實驗室外部校準。原因如下：

第一：虛擬儀器卡自校準時，所顯示的結果為pass或fail，不顯示實際參數的測試結果值。

第二：自校準參數不能全部覆蓋虛擬儀器卡的所有參數。

第三：由于自校準需要儀器內部提供一個用于自校準的標準值，而這個內部標準值是否滿足技術參數的要求也需要進行定期外部校準。

第四：由于具有自校準功能的傳統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。

4 校準結果

為了使大家對虛擬儀器的校準項目、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系列數據采集卡為例介紹實驗室校準，其它的板卡比如示波器卡，信號發生器卡，頻率計卡、以及射頻信號發生以及分析卡再此不再贅敘。

4.1 校準所使用的標準儀器

數據采集卡的校準涉及到電壓輸入、電壓輸出和時基等參數的校準，根據美國NI公司的要求，所需要選擇的標準器如下

表2 E系列數據采集卡模擬輸入校準結果

表3 E系列數據采集卡的模擬輸出校準結果

表4 5MHz頻率的校準結果

4.3 校準結果的解讀

從表2、表3、表4中可以看出，校準結果包括了E系列數據采集卡所需要校準的全部參數：模擬輸入信號測量準確度，輸出信號準確度，5MHz頻率準確度。

校準時，校準程序要求虛擬儀器卡預熱15分鐘，緊接著進行內部自校準。

對于模擬輸入信號的測量準確度，校準參數選擇為10V量程范圍內增益為0.5,1,10,100時的上限、下限和零輸入時模擬電壓測量準確度，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。此項校準所使用的標準器為Fluke5500多功能校準器。

對于模擬輸出信號準確度：校準參數選擇為通道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位半數字多用表。

對于5MHz頻率準確度的校準，通過頻率計直接測量。

Before為調整之前的校準結果，After為調整后的校準結果。另外可以看出，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，虛擬儀器卡的校準過程中進行了參數值的調整，這一點從Before值與After值之間有少許不同可以看出。

由于本次數據是首先進行校準后再進行校準的，因此，Before 和After之間的差別不是很大。

5 校準結果的不確定度評定

PCI-6024E校準結果測量不確定度涉及到電壓參數和頻率參數，本文僅對4.9V電壓測量不確定度進行評定，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

（1）5520A輸出電壓準確度

（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 結論

同傳統測量儀器一樣，虛擬儀器也需要定期送至具有校準能力的實驗室校準，以確保測量儀器始終在其所規定的技術指標范圍內。作為上海市政府依法設立的法定計量機構－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。為了更好的為客戶提供服務，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張衡路1500號，計量校準能力有了很大的發展。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、無線電室以及光學室合并而成，計量覆蓋范圍從直流信號、低頻信號、高頻信號、脈沖信號至無線電、可見光、直至不可見光，現在保存有國家基準、華東最高標準、上海市最高標準數十項，擁有教授級高工2名，高工十多名。美國國家儀器公司（NI公司）考慮各種因素，并經多方考察，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，校準范圍覆蓋其所有的產品（包括數據采集卡、信號發生器卡、示波器卡、頻率計卡、射頻信號發生器卡、射頻信號分析儀卡、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），而且包括出現超出其技術指標（specification）時的調整服務（adjustment），我們為客戶的校準的虛擬儀器卡的數量也是在逐年提高，現在已經為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。另外，也證明了虛擬儀器與傳統的測試儀器一樣，需要定期進行校準。