本文針對虛擬儀器(VI)類儀器設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)方法進(jìn)行討論，重點(diǎn)討論計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際虛擬儀器板載時鐘設(shè)備校準(zhǔn)中遇到的問題，以及解決方案。進(jìn)而，保證計(jì)量檢定和計(jì)量校準(zhǔn)所出具的計(jì)量儀器校準(zhǔn)報告、校準(zhǔn)證書的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和判定可靠。
一、?背景描述
數(shù)據(jù)采集類虛擬儀器主要包括三種：模擬輸入（AI）卡、模擬輸出（AO）卡、開關(guān)控制卡，由以上三種不同功能的板卡可以組成具備各種用途的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合信號調(diào)理卡，可實(shí)現(xiàn)各種模擬信號采集需求。
其中，對于模擬輸入、模擬輸出功能的虛擬儀器校準(zhǔn)需要使用到多功能標(biāo)準(zhǔn)儀（源）、數(shù)字多用表，屬于電磁計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域。需要對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。
同時，為了達(dá)到較高的采樣率，考慮組建系統(tǒng)之后板卡與板卡之間實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)功能，故AI卡和AO卡均裝配了板載高穩(wěn)時鐘晶振。其對外輸出信號波形如圖1所示。
圖1 正常板載時鐘輸出波形
一般情況下，正常板載時鐘輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)TTL信號，幅值約4.8V～5V，頻率5MHz或10MHz。使用板卡生產(chǎn)廠家提供的在線計(jì)量校準(zhǔn)軟件對AI卡、AO卡的板載時鐘進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時，要求使用頻率計(jì)對其輸出頻率進(jìn)行測量；查閱板卡生產(chǎn)廠家發(fā)布的校準(zhǔn)手冊，其中要求對AI卡、AO卡的板載時鐘進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時，僅需使用頻率計(jì)對板卡校準(zhǔn)即可，屬于無線電計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域。
二、?問題說明
賽斯計(jì)量已開展虛擬儀器校準(zhǔn)工作多年，具備豐富的第三方計(jì)量校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，在全國范圍內(nèi)電磁計(jì)量校準(zhǔn)、無線電計(jì)量校準(zhǔn)能力處于領(lǐng)先地位。隨著虛擬儀器概念的不斷普及和板卡應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，使用了3年～5年的板卡計(jì)量校準(zhǔn)數(shù)量持續(xù)增加，因此我們在計(jì)量校準(zhǔn)已使用多年板卡的過程中發(fā)現(xiàn)了諸多問題。
在對型號為PXI-6XXX板卡校準(zhǔn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)其板載時鐘輸出頻率時而為10MHz，時而為5MHz，然而其頻率輸出標(biāo)稱值應(yīng)為5MHz，故初步判斷為此板卡故障。為了排除標(biāo)準(zhǔn)儀器、校準(zhǔn)附件、測試線材、測量環(huán)境等造成的影響，賽斯計(jì)量進(jìn)行了大量計(jì)量校準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)，其中包括：
1.?運(yùn)行原廠計(jì)量校準(zhǔn)軟件進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
2.?運(yùn)行賽斯計(jì)量根據(jù)原廠發(fā)布的校準(zhǔn)手冊自行開發(fā)的虛擬儀器校準(zhǔn)軟件進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
3.?運(yùn)行原廠設(shè)備控制管理軟件，采用手動配置及控制方式進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
4.?更換3套校準(zhǔn)附件，分別采用上述1、2、3的方式進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
5.?更換2套線材，分別采用上述1、2、3、4的方式進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
6.?延長預(yù)熱時間從校準(zhǔn)手冊要求的30分鐘至2小時，分別采用上述1、2、3、4、5的方式進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)；
7.?更換計(jì)量校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)儀器，分別采用上述1、2、3、4、5、6的方式進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明，在使用溫度計(jì)量儀表嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，同時采用同樣的儀器設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)方法情況下，在某些條件下，被校對象板載時鐘輸出頻率可以復(fù)現(xiàn)5MHz，但重復(fù)性很差，經(jīng)常出現(xiàn)10MHz的情況；在某些條件下，輸出頻率始終穩(wěn)定在10MHz，故經(jīng)過大量計(jì)量校準(zhǔn)試驗(yàn)表明，該問題依舊存在，確認(rèn)被校對象故障。
充分考慮客戶的切實(shí)需求，秉承對于計(jì)量工作的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，賽斯計(jì)量提出了“計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室僅使用頻率計(jì)對虛擬儀器板載時鐘進(jìn)行周期計(jì)量校準(zhǔn)是否充分適用”的疑問。
三、?原因分析
雖然賽斯計(jì)量進(jìn)行了大量的計(jì)量校準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)，但仍舊將自己的思維禁錮在了使用多年的儀器設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)方法上，這種固有思維和先入為主的觀念致使我們在分析該問題上進(jìn)展緩慢。之后，我們更換了校準(zhǔn)方法，擬定了以示波器采集輸出波形進(jìn)行測量，若輸出波形確實(shí)存在問題，可用頻率計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的計(jì)量校準(zhǔn)方案。
示波器采集到的被校對象板載時鐘輸出波形（單周期）如圖2所示。
圖2 故障板載時鐘單周期輸出波形
新校準(zhǔn)方法的使用達(dá)到了預(yù)期效果，該波形在上升過程中，于幅值1.8V～2.2V位置發(fā)生震蕩，該平臺的產(chǎn)生足以擾亂頻率計(jì)的準(zhǔn)確測量。頻率計(jì)默認(rèn)設(shè)置為上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平一般較低，當(dāng)測量圖1波形時，單周期內(nèi)只觸發(fā)1次，記數(shù)1次，故測量結(jié)果應(yīng)為5MHz；當(dāng)測量圖2波形時，單周期內(nèi)觸發(fā)2次，記數(shù)2次，故測量結(jié)果為10MHz。
之后使用頻率計(jì)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)，若將觸發(fā)電平調(diào)高至2.2V以上，測量結(jié)果為5MHz；若將觸發(fā)電平調(diào)至1.8V～2.2V之間，測量結(jié)果為5MHz的倍數(shù)無規(guī)律出現(xiàn)；若將觸發(fā)電平調(diào)低至1.8V以下，測量結(jié)果為10MHz，充分驗(yàn)證了示波器的板卡校準(zhǔn)結(jié)果。
分析電路，初步判斷為板載高穩(wěn)時鐘晶振兩路供電電壓其中的一路出現(xiàn)故障，造成低電平無法恢復(fù)至較低幅值，進(jìn)而發(fā)生此類問題。
四、?解決方案
在今后對虛擬儀器板載時鐘輸出頻率進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)時，采用示波器捕捉輸出波形，進(jìn)而對僅采用頻率計(jì)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)的方法進(jìn)行補(bǔ)充，確保設(shè)備校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，提升計(jì)量校準(zhǔn)工作質(zhì)量。
五、?結(jié)語
虛擬儀器校準(zhǔn)工作過程中，涉及到電磁計(jì)量校準(zhǔn)和無線電計(jì)量校準(zhǔn)領(lǐng)域，所用計(jì)量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)量較多，其中儀器設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)方法多種多樣，所遇到的問題和困難也是千奇百怪，因此，需要豐富的板卡校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)。賽斯計(jì)量在具備以上條件的基礎(chǔ)上，計(jì)量校準(zhǔn)工程師熟練掌握LabVIEW、C++程序開發(fā)，為虛擬儀器校準(zhǔn)的快速部署、響應(yīng)和實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。