基于MET/CAL的数字示波器自动校准系统

苏姗姗， 宋 哲

(1.南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014； 2.中国航天科工八五一一技术研究所，南京 210007)

0 引言

国际标准ISO17025/10012以及国内新颁布的CNAS-CL07:2011《测量不确定度的要求》等文件对校准证书提出了更加严格的要求，并把它作为衡量实验室校准和测试能力的重要考核要求，这些要求给传统的人工校准带来了很大的挑战，因此自动或半自动的校准是未来校准的发展趋势[1]。

传统的数字示波器检定校准方法，需要检定人员按照检定规程或校准规范的步骤进行操作，被检仪器和标准仪器的操作与读数、计量结果的记录和处理均需人工来完成。在数字示波器的校准中，由于校准点复杂，校准项目多，容易引起诸如数据记录错误、仪器操作错误等失误；并且，手动校准对检定人员提出了很高的要求，不仅要求掌握仪器的使用方法、编制校准步骤、计算合格上下限，还要逐点计算测量不确定度、整理原始记录；再者，手动校准之后的证书是人为编制的，可信度低，不利于实现全面的质量管理。因此，数字示波器自动校准系统软件的研究得到了众多研究院所的重视。

目前，泰克、力科、安捷伦等国外示波器研发中心已开发出多款示波器检定或校准软件，但是并未对外开放接口，仅用于自身校准机构承接校准业务。福禄克公司研发的MET/CAL校准软件广泛应用于科研及计量单位，是目前主流的校准软件，购买MET/CAL软件可同时购买福禄克公司的软件包。但是福禄克公司编制的软件完全按照ISO17025国际标准，与国内校准现状不符，为此用户需要根据自身需求重新编制，该软件已经完成了用户权限管理、仪器信息登记、超差提示、报表生成等机制，用户只需专注于测试过程的设计，大大减少了程序设计人员的工作量。

研究发现，同公司同系列产品的校准方法、控制指令几乎相同，故程序编制按照系列进行，即减少工作量又精准。

本文力图通过介绍校准系统硬件的构成, 软件系统的选择、校准软件的设计、校准报告模板的设计等来阐述如何快速地组建、设计自动校准系统。

1 系统硬件设计

系统的硬件框图如图1所示，由计算机、打印机、通讯线、9500B和被检示波器等组成，当9500B的时基等技术指标不能满足被检示波器的要求时，需添加本地晶振等额外标准设备。

图1 系统硬件框图

校准程序通过GPIB(general-purpose interface bus，GPIB)等总线与被校示波器与9500B通信，命令被校示波器及9500B进入所需功能或发出所需信号，再将最后结果读数返回计算机程序并保存到数据库中，待所有校准点完成后再调用报告模板打印校准报告。

福禄克9500B示波器校准仪，可输出多种信号：直流电压信号、方波信号、直流稳压信号、时标信号、快沿脉冲信号等，也可以用于电阻参数、电容参数及频率参数的测量，对于不同频带宽度的示波器选用不同探头即可(最高为6 GHz)，故在校准过程中可以完成直流偏置、直流增益、频带宽度、时基、瞬态响应、输入阻抗、输入电容、校准信号频率及校准信号电平等多个参数的测量，从而减少校准过程中接换线，提高工作效率、减少误差[2-3]。因此9500B是目前最适合用于数字示波器的标准器。

2 系统软件设计

2.1 MET/CAL平台介绍

METCAL平台由资产管理、编辑校准程序及运行校准程序三部分构成，其中标准器资产及溯源信息在资产管理平台完成，被检件信息的登记可以在资产管理平台事先登记或在运行程序平台登记[4]。

资产管理模块主要完成仪器的管理工作：标准器信息及校准记录登记、被检件信息登记。标准器必须定期送上级部门校准，且不可超期服务，如果超期，则当选定该仪表做标准器时，程序便会报错。

在程序运行模块可以完成标准器的配置、校准子程序的选择、校准后报告模板的管理等。标准器的配置主要是标准器管理、设置GPIB接口地址、设置示波器选件。RunTime操作界面如图2所示，点击Calibrate菜单中的Run Procedure Executable 选项，选择对应型号的校准子程序。在Configure菜单中可以完成诸如标准器设置等工作。

图2 MET/CAL RunTime

MET/CAL EDITOR是程序编辑器，如图3所示。在程序的头部，自动记录程序的创建时间、创建人、该程序所使用的标准器等信息。该软件可对程序进行仿真，同样也可以完成标准器设置等工作。METCAL的程序设计采用FSC(function selection code)语言，是METCAL环境的专用语言。

2.2 FSC语言

功能选择代码(function selection code, FSC)语言是控制校准源、被校准设备、程序流程及运算等一系列指令的集合，MET/CAL校准命令(FSC)主要包含：过程控制类指令(ASK命令)、接口控制指令(IEEE，IEEE2，PORT，VISA，SCPI等)、仪器指令(对9500B等标准发送的程控命令)、显示指令(DISP、PIC等)、判断指令(EVAL等)、运算指令(MATH等)等。具体分类介绍见表1[5]。

表1 FSC指令类别及描述

仪器相关类FSC语句由步骤号、FSC指令等10个字段组成。步骤号表示程序执行过程中的顺序，同时在程序跳转等流程中起到标志的作用，如不填写会自动生成。FSC指令字段填入FSC指令。量程字段用来设置UUT的量程，标称值字段用来设置激励信号的标称值，容限字段用来设置UUT的误差容限值。模式1( MOD1) 到模式4( MOD4) 字段用于不同FSC 指令在不同情况下设置相应的配置，连接字段( CON) 中填入连接信息[1]。

2.3 软件实现流程图

数字示波器的校准过程包括：读取被校设备信息，登记被校设备信息，选择校准项目，实施校准，校准结束后生成测试报告等，具体流程图如3所示。

2.4 仪器识别模块

标准器的识别，通过标准器设置由METCAL自动完成，下述语句，强制程序在主程序表头，列出程序的基本设置信息。

被检件的识别，主要通过*IDN？命令读取被检件的信息，具体实现语句表2：步骤1.001发送*IDN?命令给被检件，并将读回的信息(制造商，型号，序列号，固件版本信息)放入寄存器 MEM2；步骤1.002～1.004将*IDN？读回的信息分别提取出来，放入对应全局变量中；步骤1.005为显示控制类FSC，只出现在测试过程中，相邻DISP语句使用同一步骤号，表明是同一提示消息的不同行显示类语句中的变量使用[V 变量]的格式。

图3 系统软件流程图

表2 仪器识别模块指令

步骤指令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 型号: [V @ModelNum]1.005 DISP 序列号: [V @SerialNum]

2.5 系统设置模块

在该部分主要完成不确定度的表现形式，超差是否提醒，每个测试点的测量次数等设置。过程控制使用ASK命令，系统参数的设置常使用VSET命令。

表3 系统设置模块指令

步骤1.001使能键入测试结果，并且激活不确定度计算；步骤1.002～1.004表示当测量结果超差时，弹出提示界面， 在该界面可以选择重测或继续；步骤1.005设置校准次数为5次；步骤1.006表示将第一次测量的数据舍弃。

2.6 校准项目选择模目模块

实验室校准项目和校准方法应满足客户的需求并适用于所进行的校准[2].对于不同的客户，校准的项目不尽相同，在METCL中可已用利用列表框函数来实现项目的选择，具体代码如表4。

表4 校准项目选择模块

步骤1.001建立一个以“选择计量项目”命名的列表框步骤1.002～1.004设置对话框：1.002要求用户对列表内容进行选择；1.003“multi”表示允许用户选择多项内容；1.004“ok”表示设置列表框的按钮为Ok和Cancel；步骤1.005和1.006为列表框添加项目“直流增益”，当用户选择直流增益时，全局变量@DCV为1，否则为0；步骤1.007表示添加完项目后，列表对话框显示在界面中。

2.7 校准模块

校准模块的实现以直流增益为例进行说明。常用的直流增益的校准方法有直流电压法和方波法，采用直流电压法时，为了消除零点漂移，常常采用正负电压法和幅值减零点法。该程序中依据厂家校准方法采用了幅值减零点法[6]，具体实现步骤见表5。

表5 校准模块

步骤1.001表示超差重复测量时，返回至本命令的下一行；步骤1.002显示在证书上的说明性信息；步骤1.003到1.008分别设置被检件的采样模式、次数等，校准通道，触发模式，垂直灵敏度、偏置电压，步骤1.009和步骤1.013用于设置9500B的输出电压和适配电阻；1.010和1.014设置读取结果前的延时时间，并将读取的结果放入寄存器MEM中；步骤1.015表示将35 V对应的结果减去0V的漂移作为最后的结果；步骤1.016 MEMCX比较 MEM 和 MEM1(35.00 V) 的差，是否小于规定的被检表的允差 0.70U(0.7 V)，判定测量结果是否超差并打印到报告。

3 结果验证

3.1 结果验证

在测试过程中，测试结果会实时存入MET/CAL的数据库Sybase中，方便随时查阅数据，打印原始记录，直流增益的校准结果如图4所示。

采用比对法对测量结果的可靠性进行验证，根据将自动测试的结果与手动测量结果进行比校，结果应满足公式(1)要求[7]:

1.2 环境污染加剧。农业污染的最大特点是隐蔽性强和具有长期性。建国初期我国使用的666等剧毒农药残留在土壤中的化学成分到现在还没有完全分解。化肥农药和含激素生产剂虽然保护了农产品的高产，缩短了农产品的生长期，降低了单位农产品的生产成本，但直接影响农产品的品质，降低了农产品的市场竞争力，并威胁农业安全甚至直接危害人体健康。

(1)

图4 自动测试结果

式中,y1为手动测量值，y2是自动测量值。影响测量结果的不确定度来源主要有： 1)由于测量重复性引入的不确定度；2)由于数字示波器分辨力引入的不确定度； 3)示波器校准仪的准确度引入的不确定度。选取示波器校准仪输出值100 mV 进行不确定度评定，被校仪器需选择一台稳定性较好的示波器[8-9]。

1) 由于测量重复性引入的不确定度分量uA(VN1)：

数字示波器对电压进行6次独立重复测量，测量结果分别为：100.1 mV, 99.9 mV, 99.8 mV, 100.2 mV, 100.1 mV, 99.7 mV, 99.97 mV,计算平均值为99.97 mV,用贝塞尔公式计算实验标准偏差

(2)

2)由于数字示波器分辨力引入的不确定度uB(VN2)：

3)由于示波器校准仪准确度引入的不确定度分量uB(VN3):

uB(VN3)=0.014%+0.25 mV

测量重复性引入的不确定度分量和仪器分辨力引起的不确定度分量，通常只保留影响较大的值，因此舍去uB(VN2)，只保留uA(VN1)和uB(VN3)，合成标准不确定度为：

U=kuc=0.16%+0.25 mV

由于篇幅限制，文中不再详细讲述其他校准点不确定度的计算过程，最后手动测量结果与自动测量结果的比对如表6所示，可知两者之差的绝对值均满足公式(1)，因此该数字示波器自动校准系统的可靠性及准确性得到了验证。

表6 自动与手动测试结果比对

3.2 证书报告的生成

METCAL系统使用水晶报表(Crystal Report)生成最终的证书报告。在生成报告之前要选择证书模板，系统中有自带模板，也可以选择自定义模板。由于各个单位原始记录、证书都要求格式受控，普遍需要自定义模板。自定义模板可在已有系统模板中修改。

表头中的测试项目、标准值等字段对应的是Sybase数据库字段，证书中最终记录的项目与校准程序中项目及顺序一一对应。报告正文样式如图5所示[10]。

图5 报告样式

4 结束语

文章首先介绍了数字示波器校准的现状和METCAL软件系统的特点，然后详细介绍了METCAL开发环境、系统的硬件配置、软件开发流程及重点模块的编制方法，最后通过与手动测试结果的比对验证了该软件的正确性和可靠性。合理的利用该自动校准软件，可大幅提高工作效率及可靠性。

自动测试是计量的发展现状，该软件不仅可以应用于数字示波器的自动校准，经过修改还可以应用于其他种类的仪表，如数字多用表、电源等。

该软件具有易开发、可靠等特点，但是METCAL只支持校准过程的编辑，不支持整个校准过程的交互设计，对交互要求高的用户需要借助于其他开发环境：如Visul Studio等。