虛擬儀器的校準

1 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)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(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，應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了測試的各個領(lǐng)域：從數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、信號發(fā)生、信號測量、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊領(lǐng)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(gòu)成

傳統(tǒng)測試儀器主要由輸入/輸出部分，電源部分，儀器內(nèi)部核心，顯示控制單元等組成。對于虛擬儀器而言，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。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(tǒng)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(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。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(fā)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(guī)的虛擬儀器測量任務(wù)，從而大大降低了虛擬儀器開發(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(guān)，而測試軟件中的算法等在設(shè)計時已經(jīng)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(nèi)部所使用的電子元器件的老化，儀器的使用時間，環(huán)境變化，以及誤用都會影響測量結(jié)果準確度。

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，以確認測量儀器是否工作在儀器技術(shù)指標內(nèi)，這就是校準的目的。

與傳統(tǒng)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(tǒng)的測試儀器的校準的相同之處是與傳統(tǒng)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(jīng)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(nèi)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(shù)指標？

按照檢定規(guī)程和校準規(guī)范，校準任何儀器都應(yīng)在滿足環(huán)境要求的實驗室進行。實際使用時，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，由于虛擬儀器的設(shè)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，仍然滿足技術(shù)說明書要求。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。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(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，與傳統(tǒng)測試儀器類似，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、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，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，與儀器內(nèi)部的標準值比較。

你也許會問，既然虛擬儀器具有了內(nèi)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(jīng)具有了內(nèi)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(jié)果為pass或fail，不顯示實際參數(shù)的測試結(jié)果值。

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，而這個內(nèi)部標準值是否滿足技術(shù)參數(shù)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(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。

4 校準結(jié)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(shù)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，其它的板卡比如示波器卡，信號發(fā)生器卡，頻率計卡、以及射頻信號發(fā)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(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，根據(jù)美國NI公司的要求，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