基于MET/CAL的數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

蘇姍姍， 宋 哲

(1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210014； 2.中國(guó)航天科工八五一一技術(shù)研究所，南京 210007)

0 引言

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO17025/10012以及國(guó)內(nèi)新頒布的CNAS-CL07:2011《測(cè)量不確定度的要求》等文件對(duì)校準(zhǔn)證書提出了更加嚴(yán)格的要求，并把它作為衡量實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和測(cè)試能力的重要考核要求，這些要求給傳統(tǒng)的人工校準(zhǔn)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，因此自動(dòng)或半自動(dòng)的校準(zhǔn)是未來(lái)校準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

傳統(tǒng)的數(shù)字示波器檢定校準(zhǔn)方法，需要檢定人員按照檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的步驟進(jìn)行操作，被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)儀器的操作與讀數(shù)、計(jì)量結(jié)果的記錄和處理均需人工來(lái)完成。在數(shù)字示波器的校準(zhǔn)中，由于校準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)雜，校準(zhǔn)項(xiàng)目多，容易引起諸如數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤、儀器操作錯(cuò)誤等失誤；并且，手動(dòng)校準(zhǔn)對(duì)檢定人員提出了很高的要求，不僅要求掌握儀器的使用方法、編制校準(zhǔn)步驟、計(jì)算合格上下限，還要逐點(diǎn)計(jì)算測(cè)量不確定度、整理原始記錄；再者，手動(dòng)校準(zhǔn)之后的證書是人為編制的，可信度低，不利于實(shí)現(xiàn)全面的質(zhì)量管理。因此，數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件的研究得到了眾多研究院所的重視。

目前，泰克、力科、安捷倫等國(guó)外示波器研發(fā)中心已開(kāi)發(fā)出多款示波器檢定或校準(zhǔn)軟件，但是并未對(duì)外開(kāi)放接口，僅用于自身校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)承接校準(zhǔn)業(yè)務(wù)。福祿克公司研發(fā)的MET/CAL校準(zhǔn)軟件廣泛應(yīng)用于科研及計(jì)量單位，是目前主流的校準(zhǔn)軟件，購(gòu)買MET/CAL軟件可同時(shí)購(gòu)買福祿克公司的軟件包。但是福祿克公司編制的軟件完全按照ISO17025國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)內(nèi)校準(zhǔn)現(xiàn)狀不符，為此用戶需要根據(jù)自身需求重新編制，該軟件已經(jīng)完成了用戶權(quán)限管理、儀器信息登記、超差提示、報(bào)表生成等機(jī)制，用戶只需專注于測(cè)試過(guò)程的設(shè)計(jì)，大大減少了程序設(shè)計(jì)人員的工作量。

研究發(fā)現(xiàn)，同公司同系列產(chǎn)品的校準(zhǔn)方法、控制指令幾乎相同，故程序編制按照系列進(jìn)行，即減少工作量又精準(zhǔn)。

本文力圖通過(guò)介紹校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成, 軟件系統(tǒng)的選擇、校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)報(bào)告模板的設(shè)計(jì)等來(lái)闡述如何快速地組建、設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、通訊線、9500B和被檢示波器等組成，當(dāng)9500B的時(shí)基等技術(shù)指標(biāo)不能滿足被檢示波器的要求時(shí)，需添加本地晶振等額外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

校準(zhǔn)程序通過(guò)GPIB(general-purpose interface bus，GPIB)等總線與被校示波器與9500B通信，命令被校示波器及9500B進(jìn)入所需功能或發(fā)出所需信號(hào)，再將最后結(jié)果讀數(shù)返回計(jì)算機(jī)程序并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，待所有校準(zhǔn)點(diǎn)完成后再調(diào)用報(bào)告模板打印校準(zhǔn)報(bào)告。

福祿克9500B示波器校準(zhǔn)儀，可輸出多種信號(hào)：直流電壓信號(hào)、方波信號(hào)、直流穩(wěn)壓信號(hào)、時(shí)標(biāo)信號(hào)、快沿脈沖信號(hào)等，也可以用于電阻參數(shù)、電容參數(shù)及頻率參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于不同頻帶寬度的示波器選用不同探頭即可(最高為6 GHz)，故在校準(zhǔn)過(guò)程中可以完成直流偏置、直流增益、頻帶寬度、時(shí)基、瞬態(tài)響應(yīng)、輸入阻抗、輸入電容、校準(zhǔn)信號(hào)頻率及校準(zhǔn)信號(hào)電平等多個(gè)參數(shù)的測(cè)量，從而減少校準(zhǔn)過(guò)程中接換線，提高工作效率、減少誤差[2-3]。因此9500B是目前最適合用于數(shù)字示波器的標(biāo)準(zhǔn)器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MET/CAL平臺(tái)介紹

METCAL平臺(tái)由資產(chǎn)管理、編輯校準(zhǔn)程序及運(yùn)行校準(zhǔn)程序三部分構(gòu)成，其中標(biāo)準(zhǔn)器資產(chǎn)及溯源信息在資產(chǎn)管理平臺(tái)完成，被檢件信息的登記可以在資產(chǎn)管理平臺(tái)事先登記或在運(yùn)行程序平臺(tái)登記[4]。

資產(chǎn)管理模塊主要完成儀器的管理工作：標(biāo)準(zhǔn)器信息及校準(zhǔn)記錄登記、被檢件信息登記。標(biāo)準(zhǔn)器必須定期送上級(jí)部門校準(zhǔn)，且不可超期服務(wù)，如果超期，則當(dāng)選定該儀表做標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，程序便會(huì)報(bào)錯(cuò)。

在程序運(yùn)行模塊可以完成標(biāo)準(zhǔn)器的配置、校準(zhǔn)子程序的選擇、校準(zhǔn)后報(bào)告模板的管理等。標(biāo)準(zhǔn)器的配置主要是標(biāo)準(zhǔn)器管理、設(shè)置GPIB接口地址、設(shè)置示波器選件。RunTime操作界面如圖2所示，點(diǎn)擊Calibrate菜單中的Run Procedure Executable 選項(xiàng)，選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)的校準(zhǔn)子程序。在Configure菜單中可以完成諸如標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)置等工作。

圖2 MET/CAL RunTime

MET/CAL EDITOR是程序編輯器，如圖3所示。在程序的頭部，自動(dòng)記錄程序的創(chuàng)建時(shí)間、創(chuàng)建人、該程序所使用的標(biāo)準(zhǔn)器等信息。該軟件可對(duì)程序進(jìn)行仿真，同樣也可以完成標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)置等工作。METCAL的程序設(shè)計(jì)采用FSC(function selection code)語(yǔ)言，是METCAL環(huán)境的專用語(yǔ)言。

2.2 FSC語(yǔ)言

功能選擇代碼(function selection code, FSC)語(yǔ)言是控制校準(zhǔn)源、被校準(zhǔn)設(shè)備、程序流程及運(yùn)算等一系列指令的集合，MET/CAL校準(zhǔn)命令(FSC)主要包含：過(guò)程控制類指令(ASK命令)、接口控制指令(IEEE，IEEE2，PORT，VISA，SCPI等)、儀器指令(對(duì)9500B等標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送的程控命令)、顯示指令(DISP、PIC等)、判斷指令(EVAL等)、運(yùn)算指令(MATH等)等。具體分類介紹見(jiàn)表1[5]。

表1 FSC指令類別及描述

儀器相關(guān)類FSC語(yǔ)句由步驟號(hào)、FSC指令等10個(gè)字段組成。步驟號(hào)表示程序執(zhí)行過(guò)程中的順序，同時(shí)在程序跳轉(zhuǎn)等流程中起到標(biāo)志的作用，如不填寫會(huì)自動(dòng)生成。FSC指令字段填入FSC指令。量程字段用來(lái)設(shè)置UUT的量程，標(biāo)稱值字段用來(lái)設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的標(biāo)稱值，容限字段用來(lái)設(shè)置UUT的誤差容限值。模式1( MOD1) 到模式4( MOD4) 字段用于不同F(xiàn)SC 指令在不同情況下設(shè)置相應(yīng)的配置，連接字段( CON) 中填入連接信息[1]。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

數(shù)字示波器的校準(zhǔn)過(guò)程包括：讀取被校設(shè)備信息，登記被校設(shè)備信息，選擇校準(zhǔn)項(xiàng)目，實(shí)施校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)束后生成測(cè)試報(bào)告等，具體流程圖如3所示。

2.4 儀器識(shí)別模塊

標(biāo)準(zhǔn)器的識(shí)別，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)置由METCAL自動(dòng)完成，下述語(yǔ)句，強(qiáng)制程序在主程序表頭，列出程序的基本設(shè)置信息。

被檢件的識(shí)別，主要通過(guò)*IDN？命令讀取被檢件的信息，具體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句表2：步驟1.001發(fā)送*IDN?命令給被檢件，并將讀回的信息(制造商，型號(hào)，序列號(hào)，固件版本信息)放入寄存器 MEM2；步驟1.002～1.004將*IDN？讀回的信息分別提取出來(lái)，放入對(duì)應(yīng)全局變量中；步驟1.005為顯示控制類FSC，只出現(xiàn)在測(cè)試過(guò)程中，相鄰DISP語(yǔ)句使用同一步驟號(hào)，表明是同一提示消息的不同行顯示類語(yǔ)句中的變量使用[V 變量]的格式。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

表2 儀器識(shí)別模塊指令

步驟指令1.001 VISA ?IDN?[I$]1.002 MATH @Manufacturer = FLD(MEM2, 1, ",")1.003 MATH @ModelNum = FLD(MEM2, 2, ",")1.004 MATH @SerialNum = FLD(MEM2, 3, ",")1.005 DISP 制造商: [V @Manufacturer]1.005 DISP 型號(hào): [V @ModelNum]1.005 DISP 序列號(hào): [V @SerialNum]

2.5 系統(tǒng)設(shè)置模塊

在該部分主要完成不確定度的表現(xiàn)形式，超差是否提醒，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)等設(shè)置。過(guò)程控制使用ASK命令，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置常使用VSET命令。

表3 系統(tǒng)設(shè)置模塊指令

步驟1.001使能鍵入測(cè)試結(jié)果，并且激活不確定度計(jì)算；步驟1.002～1.004表示當(dāng)測(cè)量結(jié)果超差時(shí)，彈出提示界面， 在該界面可以選擇重測(cè)或繼續(xù)；步驟1.005設(shè)置校準(zhǔn)次數(shù)為5次；步驟1.006表示將第一次測(cè)量的數(shù)據(jù)舍棄。

2.6 校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇模目模塊

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法應(yīng)滿足客戶的需求并適用于所進(jìn)行的校準(zhǔn)[2].對(duì)于不同的客戶，校準(zhǔn)的項(xiàng)目不盡相同，在METCL中可已用利用列表框函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的選擇，具體代碼如表4。

表4 校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇模塊

步驟1.001建立一個(gè)以“選擇計(jì)量項(xiàng)目”命名的列表框步驟1.002～1.004設(shè)置對(duì)話框：1.002要求用戶對(duì)列表內(nèi)容進(jìn)行選擇；1.003“multi”表示允許用戶選擇多項(xiàng)內(nèi)容；1.004“ok”表示設(shè)置列表框的按鈕為Ok和Cancel；步驟1.005和1.006為列表框添加項(xiàng)目“直流增益”，當(dāng)用戶選擇直流增益時(shí)，全局變量@DCV為1，否則為0；步驟1.007表示添加完項(xiàng)目后，列表對(duì)話框顯示在界面中。

2.7 校準(zhǔn)模塊

校準(zhǔn)模塊的實(shí)現(xiàn)以直流增益為例進(jìn)行說(shuō)明。常用的直流增益的校準(zhǔn)方法有直流電壓法和方波法，采用直流電壓法時(shí)，為了消除零點(diǎn)漂移，常常采用正負(fù)電壓法和幅值減零點(diǎn)法。該程序中依據(jù)廠家校準(zhǔn)方法采用了幅值減零點(diǎn)法[6]，具體實(shí)現(xiàn)步驟見(jiàn)表5。

表5 校準(zhǔn)模塊

步驟1.001表示超差重復(fù)測(cè)量時(shí)，返回至本命令的下一行；步驟1.002顯示在證書上的說(shuō)明性信息；步驟1.003到1.008分別設(shè)置被檢件的采樣模式、次數(shù)等，校準(zhǔn)通道，觸發(fā)模式，垂直靈敏度、偏置電壓，步驟1.009和步驟1.013用于設(shè)置9500B的輸出電壓和適配電阻；1.010和1.014設(shè)置讀取結(jié)果前的延時(shí)時(shí)間，并將讀取的結(jié)果放入寄存器MEM中；步驟1.015表示將35 V對(duì)應(yīng)的結(jié)果減去0V的漂移作為最后的結(jié)果；步驟1.016 MEMCX比較 MEM 和 MEM1(35.00 V) 的差，是否小于規(guī)定的被檢表的允差 0.70U(0.7 V)，判定測(cè)量結(jié)果是否超差并打印到報(bào)告。

3 結(jié)果驗(yàn)證

3.1 結(jié)果驗(yàn)證

在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)存入MET/CAL的數(shù)據(jù)庫(kù)Sybase中，方便隨時(shí)查閱數(shù)據(jù)，打印原始記錄，直流增益的校準(zhǔn)結(jié)果如圖4所示。

采用比對(duì)法對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)將自動(dòng)測(cè)試的結(jié)果與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比校，結(jié)果應(yīng)滿足公式(1)要求[7]:

1.2 環(huán)境污染加劇。農(nóng)業(yè)污染的最大特點(diǎn)是隱蔽性強(qiáng)和具有長(zhǎng)期性。建國(guó)初期我國(guó)使用的666等劇毒農(nóng)藥殘留在土壤中的化學(xué)成分到現(xiàn)在還沒(méi)有完全分解。化肥農(nóng)藥和含激素生產(chǎn)劑雖然保護(hù)了農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)，縮短了農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)期，降低了單位農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，但直接影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，降低了農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并威脅農(nóng)業(yè)安全甚至直接危害人體健康。

(1)

圖4 自動(dòng)測(cè)試結(jié)果

式中,y1為手動(dòng)測(cè)量值，y2是自動(dòng)測(cè)量值。影響測(cè)量結(jié)果的不確定度來(lái)源主要有： 1)由于測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度；2)由于數(shù)字示波器分辨力引入的不確定度； 3)示波器校準(zhǔn)儀的準(zhǔn)確度引入的不確定度。選取示波器校準(zhǔn)儀輸出值100 mV 進(jìn)行不確定度評(píng)定，被校儀器需選擇一臺(tái)穩(wěn)定性較好的示波器[8-9]。

1) 由于測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量uA(VN1)：

數(shù)字示波器對(duì)電壓進(jìn)行6次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別為：100.1 mV, 99.9 mV, 99.8 mV, 100.2 mV, 100.1 mV, 99.7 mV, 99.97 mV,計(jì)算平均值為99.97 mV,用貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差

(2)

2)由于數(shù)字示波器分辨力引入的不確定度uB(VN2)：

3)由于示波器校準(zhǔn)儀準(zhǔn)確度引入的不確定度分量uB(VN3):

uB(VN3)=0.014%+0.25 mV

測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量和儀器分辨力引起的不確定度分量，通常只保留影響較大的值，因此舍去uB(VN2)，只保留uA(VN1)和uB(VN3)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

U=kuc=0.16%+0.25 mV

由于篇幅限制，文中不再詳細(xì)講述其他校準(zhǔn)點(diǎn)不確定度的計(jì)算過(guò)程，最后手動(dòng)測(cè)量結(jié)果與自動(dòng)測(cè)量結(jié)果的比對(duì)如表6所示，可知兩者之差的絕對(duì)值均滿足公式(1)，因此該數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。

表6 自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

3.2 證書報(bào)告的生成

METCAL系統(tǒng)使用水晶報(bào)表(Crystal Report)生成最終的證書報(bào)告。在生成報(bào)告之前要選擇證書模板，系統(tǒng)中有自帶模板，也可以選擇自定義模板。由于各個(gè)單位原始記錄、證書都要求格式受控，普遍需要自定義模板。自定義模板可在已有系統(tǒng)模板中修改。

表頭中的測(cè)試項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)值等字段對(duì)應(yīng)的是Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)字段，證書中最終記錄的項(xiàng)目與校準(zhǔn)程序中項(xiàng)目及順序一一對(duì)應(yīng)。報(bào)告正文樣式如圖5所示[10]。

圖5 報(bào)告樣式

4 結(jié)束語(yǔ)

文章首先介紹了數(shù)字示波器校準(zhǔn)的現(xiàn)狀和METCAL軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了METCAL開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)的硬件配置、軟件開(kāi)發(fā)流程及重點(diǎn)模塊的編制方法，最后通過(guò)與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果的比對(duì)驗(yàn)證了該軟件的正確性和可靠性。合理的利用該自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，可大幅提高工作效率及可靠性。

自動(dòng)測(cè)試是計(jì)量的發(fā)展現(xiàn)狀，該軟件不僅可以應(yīng)用于數(shù)字示波器的自動(dòng)校準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)修改還可以應(yīng)用于其他種類的儀表，如數(shù)字多用表、電源等。

該軟件具有易開(kāi)發(fā)、可靠等特點(diǎn)，但是METCAL只支持校準(zhǔn)過(guò)程的編輯，不支持整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程的交互設(shè)計(jì)，對(duì)交互要求高的用戶需要借助于其他開(kāi)發(fā)環(huán)境：如Visul Studio等。