1 引言
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(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(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1校準(zhǔn)NI公司E系列數(shù)據(jù)采集卡所需標(biāo)準(zhǔn)器
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)是首先進行校準(zhǔn)后再進行校準(zhǔn)的，因此，Before 和After之間的差別不是很大。
5 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定
PCI-6024E校準(zhǔn)結(jié)果測量不確定度涉及到電壓參數(shù)和頻率參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)儀器為5520A多功能校準(zhǔn)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
?。?）5520A輸出電壓準(zhǔn)確度
?。?）測量重復(fù)性 ?。?）儀器顯示分辨率
5.2 標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度評定
5.2.1 標(biāo)準(zhǔn)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，虛擬儀器也需要定期送至具有校準(zhǔn)能力的實驗室校準(zhǔn)，以確保測量儀器始終在其所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。作為上海市政府依法設(shè)立的法定計量機構(gòu)－上海市計量測試技術(shù)研究院在虛擬儀器的計量校準(zhǔn)中負有義不容辭的責(zé)任。為了更好的為客戶提供服務(wù)，上海市計量測試技術(shù)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(zhǔn)能力有了很大的發(fā)展。上海市計量測試技術(shù)研究院下屬的電子與電氣計量技術(shù)研究所由原來的電磁室、無線電室以及光學(xué)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(xiàn)在保存有國家基準(zhǔn)、華東最高標(biāo)準(zhǔn)、上海市最高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)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(jīng)多方考察，決定將中國的校準(zhǔn)中心設(shè)定于上海市計量測試技術(shù)研究院電子所，校準(zhǔn)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、示波器卡、頻率計卡、射頻信號發(fā)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(zhǔn)服務(wù)（calibration），而且包括出現(xiàn)超出其技術(shù)指標(biāo)（specification）時的調(diào)整服務(wù)（adjustment），我們?yōu)榭蛻舻男?zhǔn)的虛擬儀器卡的數(shù)量也是在逐年提高，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(zhǔn)服務(wù)，滿足了客戶的需求。另外，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(zhǔn)。
參考文獻
[1] JJF1048－1995 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范.
[2] JJG315－1983 直流數(shù)字電壓表試行檢定規(guī)程.
[3] Fluke公司，5520A多功能校準(zhǔn)器用戶手冊 1998年8月 Rev 5.1/01.
[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(shù)手冊.
?。?FONT face=Verdana>作者：詹志強、石雷兵 單位：上海市計量測試技術(shù)研究院電子與電氣所）
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