本文針對虛擬儀器(VI)類儀器設備計量校準方法進行討論，重點討論計量校準實驗室在實際虛擬儀器板載時鐘設備校準中遇到的問題，以及解決方案。進而，保證計量檢定和計量校準所出具的計量儀器校準報告、校準證書的數據準確和判定可靠。
一、?背景描述
數據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據采集系統，配合信號調理卡，可實現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需要使用到多功能標準儀（源）、數字多用表，屬于電磁計量校準領域。需要對輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流項目進行計量校準。
同時，為了達到較高的采樣率，考慮組建系統之后板卡與板卡之間實現同步觸發功能，故AI卡和AO卡均裝配了板載高穩時鐘晶振。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準TTL信號，幅值約4.8V～5V，頻率5MHz或10MHz。使用板卡生產廠家提供的在線計量校準軟件對AI卡、AO卡的板載時鐘進行計量校準時，要求使用頻率計對其輸出頻率進行測量；查閱板卡生產廠家發布的校準手冊，其中要求對AI卡、AO卡的板載時鐘進行計量校準時，僅需使用頻率計對板卡校準即可，屬于無線電計量校準領域。
二、?問題說明
賽斯計量已開展虛擬儀器校準工作多年，具備豐富的第三方計量校準經驗，在全國范圍內電磁計量校準、無線電計量校準能力處于領先地位。隨著虛擬儀器概念的不斷普及和板卡應用的不斷擴大，使用了3年～5年的板卡計量校準數量持續增加，因此我們在計量校準已使用多年板卡的過程中發現了諸多問題。
在對型號為PXI-6XXX板卡校準的過程中，我們發現其板載時鐘輸出頻率時而為10MHz，時而為5MHz，然而其頻率輸出標稱值應為5MHz，故初步判斷為此板卡故障。為了排除標準儀器、校準附件、測試線材、測量環境等造成的影響，賽斯計量進行了大量計量校準驗證試驗，其中包括：
1.?運行原廠計量校準軟件進行設備校準；
2.?運行賽斯計量根據原廠發布的校準手冊自行開發的虛擬儀器校準軟件進行設備校準；
3.?運行原廠設備控制管理軟件，采用手動配置及控制方式進行設備校準；
4.?更換3套校準附件，分別采用上述1、2、3的方式進行設備校準；
5.?更換2套線材，分別采用上述1、2、3、4的方式進行設備校準；
6.?延長預熱時間從校準手冊要求的30分鐘至2小時，分別采用上述1、2、3、4、5的方式進行設備校準；
7.?更換計量校準所用標準儀器，分別采用上述1、2、3、4、5、6的方式進行設備校準。
試驗結果表明，在使用溫度計量儀表嚴格控制試驗條件，同時采用同樣的儀器設備計量校準方法情況下，在某些條件下，被校對象板載時鐘輸出頻率可以復現5MHz，但重復性很差，經常出現10MHz的情況；在某些條件下，輸出頻率始終穩定在10MHz，故經過大量計量校準試驗表明，該問題依舊存在，確認被校對象故障。
充分考慮客戶的切實需求，秉承對于計量工作的嚴謹態度，賽斯計量提出了“計量校準實驗室僅使用頻率計對虛擬儀器板載時鐘進行周期計量校準是否充分適用”的疑問。
三、?原因分析
雖然賽斯計量進行了大量的計量校準驗證試驗，但仍舊將自己的思維禁錮在了使用多年的儀器設備計量校準方法上，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展緩慢。之后，我們更換了校準方法，擬定了以示波器采集輸出波形進行測量，若輸出波形確實存在問題，可用頻率計進行驗證的計量校準方案。
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
新校準方法的使用達到了預期效果，該波形在上升過程中，于幅值1.8V～2.2V位置發生震蕩，該平臺的產生足以擾亂頻率計的準確測量。頻率計默認設置為上升沿觸發，觸發電平一般較低，當測量圖1波形時，單周期內只觸發1次，記數1次，故測量結果應為5MHz；當測量圖2波形時，單周期內觸發2次，記數2次，故測量結果為10MHz。
之后使用頻率計進行計量校準驗證試驗，若將觸發電平調高至2.2V以上，測量結果為5MHz；若將觸發電平調至1.8V～2.2V之間，測量結果為5MHz的倍數無規律出現；若將觸發電平調低至1.8V以下，測量結果為10MHz，充分驗證了示波器的板卡校準結果。
分析電路，初步判斷為板載高穩時鐘晶振兩路供電電壓其中的一路出現故障，造成低電平無法恢復至較低幅值，進而發生此類問題。
四、?解決方案
在今后對虛擬儀器板載時鐘輸出頻率進行設備校準時，采用示波器捕捉輸出波形，進而對僅采用頻率計進行計量校準的方法進行補充，確保設備校準的準確性，提升計量校準工作質量。
五、?結語
虛擬儀器校準工作過程中，涉及到電磁計量校準和無線電計量校準領域，所用計量校準標準器數量較多，其中儀器設備計量校準方法多種多樣，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經驗。賽斯計量在具備以上條件的基礎上，計量校準工程師熟練掌握LabVIEW、C++程序開發，為虛擬儀器校準的快速部署、響應和實施奠定了良好的基礎。