蘇姍姍， 宋 哲

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

0 引言

國際標準ISO17025/10012以及國內(nèi)新頒布的CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》等文件對校準證書提出了更加嚴格的要求，并把它作為衡量實驗室校準和測試能力的重要考核要求，這些要求給傳統(tǒng)的人工校準帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此自動或半自動的校準是未來校準的發(fā)展趨勢[1]。

傳統(tǒng)的數(shù)字示波器檢定校準方法，需要檢定人員按照檢定規(guī)程或校準規(guī)范的步驟進行操作，被檢儀器和標準儀器的操作與讀數(shù)、計量結(jié)果的記錄和處理均需人工來完成。在數(shù)字示波器的校準中，由于校準點復雜，校準項目多，容易引起諸如數(shù)據(jù)記錄錯誤、儀器操作錯誤等失誤；并且，手動校準對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、編制校準步驟、計算合格上下限，還要逐點計算測量不確定度、整理原始記錄；再者，手動校準之后的證書是人為編制的，可信度低，不利于實現(xiàn)全面的質(zhì)量管理。因此，數(shù)字示波器自動校準系統(tǒng)軟件的研究得到了眾多研究院所的重視。

目前，泰克、力科、安捷倫等國外示波器研發(fā)中心已開發(fā)出多款示波器檢定或校準軟件，但是并未對外開放接口，僅用于自身校準機構(gòu)承接校準業(yè)務。福祿克公司研發(fā)的MET/CAL校準軟件廣泛應用于科研及計量單位，是目前主流的校準軟件，購買MET/CAL軟件可同時購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國際標準，與國內(nèi)校準現(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、報表生成等機制，用戶只需專注于測試過程的設計，大大減少了程序設計人員的工作量。

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

本文力圖通過介紹校準系統(tǒng)硬件的構(gòu)成, 軟件系統(tǒng)的選擇、校準軟件的設計、校準報告模板的設計等來闡述如何快速地組建、設計自動校準系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，由計算機、打印機、通訊線、9500B和被檢示波器等組成，當9500B的時基等技術(shù)指標不能滿足被檢示波器的要求時，需添加本地晶振等額外標準設備。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

校準程序通過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進入所需功能或發(fā)出所需信號，再將最后結(jié)果讀數(shù)返回計算機程序并保存到數(shù)據(jù)庫中，待所有校準點完成后再調(diào)用報告模板打印校準報告。

福祿克9500B示波器校準儀，可輸出多種信號：直流電壓信號、方波信號、直流穩(wěn)壓信號、時標信號、快沿脈沖信號等，也可以用于電阻參數(shù)、電容參數(shù)及頻率參數(shù)的測量，對于不同頻帶寬度的示波器選用不同探頭即可(最高為6 GHz)，故在校準過程中可以完成直流偏置、直流增益、頻帶寬度、時基、瞬態(tài)響應、輸入阻抗、輸入電容、校準信號頻率及校準信號電平等多個參數(shù)的測量，從而減少校準過程中接換線，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)字示波器的標準器。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 MET/CAL平臺介紹

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

資產(chǎn)管理模塊主要完成儀器的管理工作：標準器信息及校準記錄登記、被檢件信息登記。標準器必須定期送上級部門校準，且不可超期服務，如果超期，則當選定該儀表做標準器時，程序便會報錯。

在程序運行模塊可以完成標準器的配置、校準子程序的選擇、校準后報告模板的管理等。標準器的配置主要是標準器管理、設置GPIB接口地址、設置示波器選件。RunTime操作界面如圖2所示，點擊Calibrate菜單中的Run Procedure Executable 選項，選擇對應型號的校準子程序。在Configure菜單中可以完成諸如標準器設置等工作。

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，自動記錄程序的創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人、該程序所使用的標準器等信息。該軟件可對程序進行仿真，同樣也可以完成標準器設置等工作。METCAL的程序設計采用FSC(function selection code)語言，是METCAL環(huán)境的專用語言。

2.2 FSC語言

功能選擇代碼(function selection code, FSC)語言是控制校準源、被校準設備、程序流程及運算等一系列指令的集合，MET/CAL校準命令(FSC)主要包含：過程控制類指令(ASK命令)、接口控制指令(IEEE，IEEE2，PORT，VISA，SCPI等)、儀器指令(對9500B等標準發(fā)送的程控命令)、顯示指令(DISP、PIC等)、判斷指令(EVAL等)、運算指令(MATH等)等。具體分類介紹見表1[5]。

表1 FSC指令類別及描述

儀器相關(guān)類FSC語句由步驟號、FSC指令等10個字段組成。步驟號表示程序執(zhí)行過程中的順序，同時在程序跳轉(zhuǎn)等流程中起到標志的作用，如不填寫會自動生成。FSC指令字段填入FSC指令。量程字段用來設置UUT的量程，標稱值字段用來設置激勵信號的標稱值，容限字段用來設置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置相應的配置，連接字段( CON) 中填入連接信息[1]。

2.3 軟件實現(xiàn)流程圖

數(shù)字示波器的校準過程包括：讀取被校設備信息，登記被校設備信息，選擇校準項目，實施校準，校準結(jié)束后生成測試報告等，具體流程圖如3所示。

2.4 儀器識別模塊

標準器的識別，通過標準器設置由METCAL自動完成，下述語句，強制程序在主程序表頭，列出程序的基本設置信息。

被檢件的識別，主要通過*IDN？命令讀取被檢件的信息，具體實現(xiàn)語句表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，序列號，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，放入對應全局變量中；步驟1.005為顯示控制類FSC，只出現(xiàn)在測試過程中，相鄰DISP語句使用同一步驟號，表明是同一提示消息的不同行顯示類語句中的變量使用[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: [V @ModelNum]1.005 DISP 序列號: [V @SerialNum]

2.5 系統(tǒng)設置模塊

在該部分主要完成不確定度的表現(xiàn)形式，超差是否提醒，每個測試點的測量次數(shù)等設置。過程控制使用ASK命令，系統(tǒng)參數(shù)的設置常使用VSET命令。

表3 系統(tǒng)設置模塊指令

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

2.6 校準項目選擇模目模塊

實驗室校準項目和校準方法應滿足客戶的需求并適用于所進行的校準[2].對于不同的客戶，校準的項目不盡相同，在METCL中可已用利用列表框函數(shù)來實現(xiàn)項目的選擇，具體代碼如表4。

表4 校準項目選擇模塊

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

2.7 校準模塊

校準模塊的實現(xiàn)以直流增益為例進行說明。常用的直流增益的校準方法有直流電壓法和方波法，采用直流電壓法時，為了消除零點漂移，常常采用正負電壓法和幅值減零點法。該程序中依據(jù)廠家校準方法采用了幅值減零點法[6]，具體實現(xiàn)步驟見表5。

表5 校準模塊

步驟1.001表示超差重復測量時，返回至本命令的下一行；步驟1.002顯示在證書上的說明性信息；步驟1.003到1.008分別設置被檢件的采樣模式、次數(shù)等，校準通道，觸發(fā)模式，垂直靈敏度、偏置電壓，步驟1.009和步驟1.013用于設置9500B的輸出電壓和適配電阻；1.010和1.014設置讀取結(jié)果前的延時時間，并將讀取的結(jié)果放入寄存器MEM中；步驟1.015表示將35 V對應的結(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)，判定測量結(jié)果是否超差并打印到報告。

3 結(jié)果驗證

3.1 結(jié)果驗證

在測試過程中，測試結(jié)果會實時存入MET/CAL的數(shù)據(jù)庫Sybase中，方便隨時查閱數(shù)據(jù)，打印原始記錄，直流增益的校準結(jié)果如圖4所示。

采用比對法對測量結(jié)果的可靠性進行驗證，根據(jù)將自動測試的結(jié)果與手動測量結(jié)果進行比校，結(jié)果應滿足公式(1)要求[7]:

1.2 環(huán)境污染加劇。農(nóng)業(yè)污染的最大特點是隱蔽性強和具有長期性。建國初期我國使用的666等劇毒農(nóng)藥殘留在土壤中的化學成分到現(xiàn)在還沒有完全分解?；兽r(nóng)藥和含激素生產(chǎn)劑雖然保護了農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)，縮短了農(nóng)產(chǎn)品的生長期，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)品的市場競爭力，并威脅農(nóng)業(yè)安全甚至直接危害人體健康。

(1)

圖4 自動測試結(jié)果

式中,y1為手動測量值，y2是自動測量值。影響測量結(jié)果的不確定度來源主要有： 1)由于測量重復性引入的不確定度；2)由于數(shù)字示波器分辨力引入的不確定度； 3)示波器校準儀的準確度引入的不確定度。選取示波器校準儀輸出值100 mV 進行不確定度評定，被校儀器需選擇一臺穩(wěn)定性較好的示波器[8-9]。

1) 由于測量重復性引入的不確定度分量uA(VN1)：

數(shù)字示波器對電壓進行6次獨立重復測量，測量結(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,計算平均值為99.97 mV,用貝塞爾公式計算實驗標準偏差

(2)

2)由于數(shù)字示波器分辨力引入的不確定度uB(VN2)：

3)由于示波器校準儀準確度引入的不確定度分量uB(VN3):

uB(VN3)=0.014%+0.25 mV

測量重復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)，合成標準不確定度為：

U=kuc=0.16%+0.25 mV

由于篇幅限制，文中不再詳細講述其他校準點不確定度的計算過程，最后手動測量結(jié)果與自動測量結(jié)果的比對如表6所示，可知兩者之差的絕對值均滿足公式(1)，因此該數(shù)字示波器自動校準系統(tǒng)的可靠性及準確性得到了驗證。

表6 自動與手動測試結(jié)果比對

3.2 證書報告的生成

METCAL系統(tǒng)使用水晶報表(Crystal Report)生成最終的證書報告。在生成報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。

表頭中的測試項目、標準值等字段對應的是Sybase數(shù)據(jù)庫字段，證書中最終記錄的項目與校準程序中項目及順序一一對應。報告正文樣式如圖5所示[10]。

圖5 報告樣式

4 結(jié)束語

文章首先介紹了數(shù)字示波器校準的現(xiàn)狀和METCAL軟件系統(tǒng)的特點，然后詳細介紹了METCAL開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)的硬件配置、軟件開發(fā)流程及重點模塊的編制方法，最后通過與手動測試結(jié)果的比對驗證了該軟件的正確性和可靠性。合理的利用該自動校準軟件，可大幅提高工作效率及可靠性。

自動測試是計量的發(fā)展現(xiàn)狀，該軟件不僅可以應用于數(shù)字示波器的自動校準，經(jīng)過修改還可以應用于其他種類的儀表，如數(shù)字多用表、電源等。

該軟件具有易開發(fā)、可靠等特點，但是METCAL只支持校準過程的編輯，不支持整個校準過程的交互設計，對交互要求高的用戶需要借助于其他開發(fā)環(huán)境：如Visul Studio等。