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计量校准实验室仅使用频率计对虚拟仪器板载时钟 进行周期计量校准的适用性分析

发布日期:
2021-03-09
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本文针对虚拟仪器(VI)仪器设备计量校准方法进行讨论,重点讨论计量校准实验室在实际虚拟仪器板载时钟设备校准中遇到的问题,以及解决方案。进而,保证计量检定和计量校准所出具的计量仪器校准报告、校准证书的数据准确和判定可靠。

一、 背景描述

数据采集类虚拟仪器主要包括三种:模拟输入(AI)卡、模拟输出(AO)卡、开关控制卡,由以上三种不同功能的板卡可以组成具备各种用途的数据采集系统,配合信号调理卡,可实现各种模拟信号采集需求。

其中,对于模拟输入、模拟输出功能的虚拟仪器校准需要使用到多功能标准仪(源)、数字多用表,属于电磁计量校准领域。需要对输出电压、输出电流、输入电压、输入电流项目进行计量校准。

同时,为了达到较高的采样率,考虑组建系统之后板卡与板卡之间实现同步触发功能,故AI卡和AO卡均装配了板载高稳时钟晶振。其对外输出信号波形如图1所示。

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图1 正常板载时钟输出波形

一般情况下,正常板载时钟输出波形为标准TTL信号,幅值约4.8V~5V,频率5MHz或10MHz。使用板卡生产厂家提供的在线计量校准软件对AI卡、AO卡的板载时钟进行计量校准时,要求使用频率计对其输出频率进行测量;查阅板卡生产厂家发布的校准手册,其中要求对AI卡、AO卡的板载时钟进行计量校准时,仅需使用频率计对板卡校准即可,属于无线电计量校准领域。

二、 问题说明

赛斯计量已开展虚拟仪器校准工作多年,具备丰富的第三方计量校准经验,在全国范围内电磁计量校准、无线电计量校准能力处于领先地位。随着虚拟仪器概念的不断普及和板卡应用的不断扩大,使用了3年~5年的板卡计量校准数量持续增加,因此我们在计量校准已使用多年板卡的过程中发现了诸多问题。

在对型号为PXI-6XXX板卡校准的过程中,我们发现其板载时钟输出频率时而为10MHz,时而为5MHz,然而其频率输出标称值应为5MHz,故初步判断为此板卡故障。为了排除标准仪器、校准附件、测试线材、测量环境等造成的影响,赛斯计量进行了大量计量校准验证试验,其中包括:

1. 运行原厂计量校准软件进行设备校准;

2. 运行赛斯计量根据原厂发布的校准手册自行开发的虚拟仪器校准软件进行设备校准;

3. 运行原厂设备控制管理软件,采用手动配置及控制方式进行设备校准;

4. 更换3套校准附件,分别采用上述1、2、3的方式进行设备校准;

5. 更换2套线材,分别采用上述1、2、3、4的方式进行设备校准;

6. 延长预热时间从校准手册要求的30分钟至2小时,分别采用上述1、2、3、4、5的方式进行设备校准;

7. 更换计量校准所用标准仪器,分别采用上述1、2、3、4、5、6的方式进行设备校准。

试验结果表明,在使用温度计量仪表严格控制试验条件,同时采用同样的仪器设备计量校准方法情况下,在某些条件下,被校对象板载时钟输出频率可以复现5MHz,但重复性很差,经常出现10MHz的情况;在某些条件下,输出频率始终稳定在10MHz,故经过大量计量校准试验表明,该问题依旧存在,确认被校对象故障。

充分考虑客户的切实需求,秉承对于计量工作的严谨态度,赛斯计量提出了“计量校准实验室仅使用频率计对虚拟仪器板载时钟进行周期计量校准是否充分适用”的疑问。

三、 原因分析

虽然赛斯计量进行了大量的计量校准验证试验,但仍旧将自己的思维禁锢在了使用多年的仪器设备计量校准方法上,这种固有思维和先入为主的观念致使我们在分析该问题上进展缓慢。之后,我们更换了校准方法,拟定了以示波器采集输出波形进行测量,若输出波形确实存在问题,可用频率计进行验证的计量校准方案。

示波器采集到的被校对象板载时钟输出波形(单周期)如图2所示。

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图2 故障板载时钟单周期输出波形

新校准方法的使用达到了预期效果,该波形在上升过程中,于幅值1.8V~2.2V位置发生震荡,该平台的产生足以扰乱频率计的准确测量。频率计默认设置为上升沿触发,触发电平一般较低,当测量图1波形时,单周期内只触发1次,记数1次,故测量结果应为5MHz;当测量图2波形时,单周期内触发2次,记数2次,故测量结果为10MHz。

之后使用频率计进行计量校准验证试验,若将触发电平调高至2.2V以上,测量结果为5MHz;若将触发电平调至1.8V~2.2V之间,测量结果为5MHz的倍数无规律出现;若将触发电平调低至1.8V以下,测量结果为10MHz,充分验证了示波器的板卡校准结果。

分析电路,初步判断为板载高稳时钟晶振两路供电电压其中的一路出现故障,造成低电平无法恢复至较低幅值,进而发生此类问题。

四、 解决方案

在今后对虚拟仪器板载时钟输出频率进行设备校准时,采用示波器捕捉输出波形,进而对仅采用频率计进行计量校准的方法进行补充,确保设备校准的准确性,提升计量校准工作质量。

五、 结语

虚拟仪器校准工作过程中,涉及到电磁计量校准和无线电计量校准领域,所用计量校准标准器数量较多,其中仪器设备计量校准方法多种多样,所遇到的问题和困难也是千奇百怪,因此,需要丰富的板卡校准经验。赛斯计量在具备以上条件的基础上,计量校准工程师熟练掌握LabVIEW、C++程序开发,为虚拟仪器校准的快速部署、响应和实施奠定了良好的基础。


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