如何校準(zhǔn)虛擬儀器

　　隨著科學(xué)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(kuò)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(zhǔn)的必要性

　　虛擬儀器的測量準(zhǔn)確度與所采用的虛擬儀器卡的準(zhǔn)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(jìn)行多次平均以減少單次測量誤差），因此，虛擬儀器的測量準(zhǔn)確度主要取決于虛擬儀器板卡的準(zhǔn)確度。

　　大家都知道，測試儀器的測量準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將測量不確定度量化，以確認(rèn)測量儀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)測量儀器一樣，虛擬儀器也有一個校準(zhǔn)周期，必須定期校準(zhǔn)以確保其測量準(zhǔn)確度。虛擬儀器的校準(zhǔn)與傳統(tǒng)的測試儀器的校準(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)說過，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算機是校準(zhǔn)實驗室內(nèi)的校準(zhǔn)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(zhǔn)后，校準(zhǔn)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(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)境要求的實驗室進(jìn)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(zhǔn)實驗室內(nèi)校準(zhǔn)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(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(zhǔn)確度。內(nèi)部校準(zhǔn)是調(diào)用內(nèi)部校準(zhǔn)測量電路的軟件，與儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)值比較。

　　你也許會問，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)實驗室進(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)行送實驗室外部校準(zhǔn)。原因如下：

　　第一：虛擬儀器卡自校準(zhǔn)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(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)部提供一個用于自校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值，而這個內(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驗室校準(zhǔn)。

　　4 校準(zhǔn)結(jié)果

　　為了使大家對虛擬儀器的校準(zhǔn)項目、校準(zhǔn)所需要的儀器以及技術(shù)指標(biāo)等有一個直觀的認(rèn)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(zhǔn)，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(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、電壓輸出和時基等參數(shù)的校準(zhǔn)，根據(jù)美國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)：模擬輸入信號測量準(zhǔn)確度，輸出信號準(zhǔn)確度，5MHz頻率準(zhǔn)確度。

　　校準(zhǔn)時，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)。

　　對于模擬輸入信號的測量準(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時的上限、下限和零輸入時模擬電壓測量準(zhǔn)確度，特別是增加的0輸入時的值的校準(zhǔn)，目的是用于校準(zhǔn)零點偏差。此項校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為Fluke5500多功能校準(zhǔn)器。

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

　　對于5MHz頻率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，通過頻率計直接測量。

　　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)過程中進(jìn)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。

　　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。