如何校準(zhǔn)虛擬儀器

　　1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器，即我們常說(shuō)的虛擬儀器與計(jì)算機(jī)聯(lián)系日益緊密，虛擬儀器由于設(shè)置靈活，數(shù)據(jù)處理功能完善等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域：從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)測(cè)量、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊領(lǐng)域無(wú)所不能，并且隨著計(jì)算機(jī)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(yùn)用范圍不斷擴(kuò)大。

　　2 虛擬儀器的構(gòu)成

　　傳統(tǒng)測(cè)試儀器主要由輸入/輸出部分，電源部分，儀器內(nèi)部核心，顯示控制單元等組成。對(duì)于虛擬儀器而言，顯示控制部分改由計(jì)算機(jī)實(shí)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。虛擬儀器作為一種新概念的測(cè)試儀器，就其功能而言，是真實(shí)的儀器，具有與傳統(tǒng)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中許多硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)試軟件的編寫，NI等公司除了提供虛擬儀器的測(cè)試板卡外，還開(kāi)發(fā)了專門用于虛擬儀器編程的圖形化編程語(yǔ)言，如LABVIEW等，并以子VI形式向用戶提供大量測(cè)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(cè)量任務(wù)，從而大大降低了虛擬儀器開(kāi)發(fā)的復(fù)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(zhǔn)的必要性

　　虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度與所采用的虛擬儀器卡的準(zhǔn)確度及測(cè)試軟件有關(guān)，而測(cè)試軟件中的算法等在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮（比如進(jìn)行多次平均以減少單次測(cè)量誤差），因此，虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于虛擬儀器板卡的準(zhǔn)確度。

　　大家都知道，測(cè)試儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度是按一定的因子變化的，測(cè)量?jī)x器內(nèi)部所使用的電子元器件的老化，儀器的使用時(shí)間，環(huán)境變化，以及誤用都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度。

　　通過(guò)按照一定的時(shí)間間隔將測(cè)量?jī)x器的測(cè)試結(jié)果與溯源到國(guó)家基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將測(cè)量不確定度量化，以確認(rèn)測(cè)量?jī)x器是否工作在儀器技術(shù)指標(biāo)內(nèi)，這就是校準(zhǔn)的目的。

　　與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器一樣，虛擬儀器也有一個(gè)校準(zhǔn)周期，必須定期校準(zhǔn)以確保其測(cè)量準(zhǔn)確度。虛擬儀器的校準(zhǔn)與傳統(tǒng)的測(cè)試儀器的校準(zhǔn)的相同之處是與傳統(tǒng)儀器一樣，也需要定期使用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行外部校準(zhǔn)；不同之處是虛擬儀器的校準(zhǔn)是僅對(duì)虛擬儀器卡進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　3.1 校準(zhǔn)虛擬儀器卡是否滿足虛擬儀器校準(zhǔn)要求

　　前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，校準(zhǔn)虛擬儀器只需校準(zhǔn)虛擬儀器卡；但是校準(zhǔn)虛擬儀器卡所使用的計(jì)算機(jī)是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)，而不是原來(lái)所用的配套計(jì)算機(jī)。也許有人會(huì)問(wèn)，這樣校準(zhǔn)后，校準(zhǔn)后的虛擬儀器卡用于原來(lái)的計(jì)算機(jī)時(shí)，是否還保持在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后的技術(shù)指標(biāo)？

　　按照檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，校準(zhǔn)任何儀器都應(yīng)在滿足環(huán)境要求的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)際使用時(shí)，有可能出現(xiàn)環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件有所不同，由于虛擬儀器的設(shè)計(jì)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(shí)，仍然滿足技術(shù)說(shuō)明書要求。將在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)校準(zhǔn)后的虛擬儀器卡安裝到一臺(tái)新的計(jì)算機(jī)所構(gòu)成的測(cè)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(gè)環(huán)境中使用相比，二者之間并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。因此，校準(zhǔn)虛擬儀器卡完全能夠滿足虛擬儀器的校準(zhǔn)要求。

　　3.2 虛擬儀器的內(nèi)部自校準(zhǔn)能否代替外部校準(zhǔn)

　　當(dāng)今傳統(tǒng)的測(cè)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(zhǔn)功能，與傳統(tǒng)測(cè)試儀器類似，虛擬儀器具有內(nèi)部自校準(zhǔn)功能。

　　內(nèi)部自校準(zhǔn)目的是補(bǔ)償由于儀器工作壞境變化、內(nèi)部校準(zhǔn)溫度的變化和可能影響測(cè)量的其它因素對(duì)虛擬儀器的影響，以提高虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度。內(nèi)部校準(zhǔn)是調(diào)用內(nèi)部校準(zhǔn)測(cè)量電路的軟件，與儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)值比較。

　　你也許會(huì)問(wèn)，既然虛擬儀器具有了內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，是否仍需要將虛擬儀器卡定期送至校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定期外部校準(zhǔn)？

　　回答是肯定的，雖然虛擬儀器已經(jīng)具有了內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，但是也需要定期（一般是每年一次）進(jìn)行送實(shí)驗(yàn)室外部校準(zhǔn)。原因如下：

　　第一：虛擬儀器卡自校準(zhǔn)時(shí)，所顯示的結(jié)果為pass或fail，不顯示實(shí)際參數(shù)的測(cè)試結(jié)果值。

　　第二：自校準(zhǔn)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(zhǔn)需要儀器內(nèi)部提供一個(gè)用于自校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值，而這個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)值是否滿足技術(shù)參數(shù)的要求也需要進(jìn)行定期外部校準(zhǔn)。

　　第四：由于具有自校準(zhǔn)功能的傳統(tǒng)測(cè)試儀器也需要定期外校準(zhǔn)，因此，具有自校準(zhǔn)功能的虛擬儀器也需要定期外送實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。

　　4 校準(zhǔn)結(jié)果

　　為了使大家對(duì)虛擬儀器的校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)所需要的儀器以及技術(shù)指標(biāo)等有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，下面以NI公司E系列數(shù)據(jù)采集卡為例介紹實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，其它的板卡比如示波器卡，信號(hào)發(fā)生器卡，頻率計(jì)卡、以及射頻信號(hào)發(fā)生以及分析卡再此不再贅敘。

　　4.1 校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器

　　數(shù)據(jù)采集卡的校準(zhǔn)涉及到電壓輸入、電壓輸出和時(shí)基等參數(shù)的校準(zhǔn)，根據(jù)美國(guó)NI公司的要求，所需要選擇的標(biāo)準(zhǔn)器如下

　　表2 E系列數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入校準(zhǔn)結(jié)果

　　表3 E系列數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出校準(zhǔn)結(jié)果

　　表4 5MHz頻率的校準(zhǔn)結(jié)果

　　4.3 校準(zhǔn)結(jié)果的解讀

　　從表2、表3、表4中可以看出，校準(zhǔn)結(jié)果包括了E系列數(shù)據(jù)采集卡所需要校準(zhǔn)的全部參數(shù)：模擬輸入信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度，輸出信號(hào)準(zhǔn)確度，5MHz頻率準(zhǔn)確度。

　　校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)程序要求虛擬儀器卡預(yù)熱15分鐘，緊接著進(jìn)行內(nèi)部自校準(zhǔn)。

　　對(duì)于模擬輸入信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度，校準(zhǔn)參數(shù)選擇為10V量程范圍內(nèi)增益為0.5，1，10，100時(shí)的上限、下限和零輸入時(shí)模擬電壓測(cè)量準(zhǔn)確度，特別是增加的0輸入時(shí)的值的校準(zhǔn)，目的是用于校準(zhǔn)零點(diǎn)偏差。此項(xiàng)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為Fluke5500多功能校準(zhǔn)器。

　　對(duì)于模擬輸出信號(hào)準(zhǔn)確度：校準(zhǔn)參數(shù)選擇為通道0和通道1中20V量程時(shí)的輸出電壓準(zhǔn)確度。此項(xiàng)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為6位半數(shù)字多用表。

　　對(duì)于5MHz頻率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，通過(guò)頻率計(jì)直接測(cè)量。

　　Before為調(diào)整之前的校準(zhǔn)結(jié)果，After為調(diào)整后的校準(zhǔn)結(jié)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(zhǔn)過(guò)程中進(jìn)行了參數(shù)值的調(diào)整，這一點(diǎn)從Before值與After值之間有少許不同可以看出。

　　由于本次數(shù)據(jù)是首先進(jìn)行校準(zhǔn)后再進(jìn)行校準(zhǔn)的，因此，Before 和After之間的差別不是很大。