確保數(shù)據(jù)采集的測(cè)量精確度應(yīng)注意的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

1、        摘要: 本文需要討論分折確保數(shù)據(jù)采集的測(cè)量精確度應(yīng)注意的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題關(guān)鍵詞：精確度 分辨率 基準(zhǔn) 漂移 信號(hào)調(diào)理    對(duì)數(shù)據(jù)采集測(cè)量來(lái)說(shuō),精度是反映一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀入的信號(hào)測(cè)量值有多大程度的真實(shí)性。不精確的測(cè)量可能會(huì)使開(kāi)發(fā)項(xiàng)目與方案設(shè)計(jì)及產(chǎn)品質(zhì)量或自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用等費(fèi)工費(fèi)時(shí)全功盡棄，因此確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度是設(shè)計(jì)方案的主要問(wèn)題。    但現(xiàn)實(shí)中,人們往往將精度與分辨率混淆。其實(shí)分辨率表示的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能檢測(cè)的最小

2、信號(hào)變化量。實(shí)際上一個(gè)項(xiàng)目或設(shè)備的整體精度和分辨率取決于增益、偏置和時(shí)間等運(yùn)行環(huán)境因素。一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的分辨率僅僅與模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片的分辨率部分相關(guān)。若用12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器未必意味者你的系統(tǒng)將具有12位的精度；數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用了一片16位的ADC芯片，但由設(shè)計(jì)不合理，則該設(shè)備性能的表現(xiàn)卻相當(dāng)于12位的分辨率，而且精度很差。很多時(shí)候，令工程師們吃驚和不解的是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所表現(xiàn)出的性能往往遠(yuǎn)低于期望值。如果不精確的測(cè)量問(wèn)題直到樣機(jī)運(yùn)行或批量生產(chǎn)時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，那么整個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目與方案設(shè)計(jì)及產(chǎn)品質(zhì)量或自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用等會(huì)全功盡棄。因此確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度是重中之重。  &

3、#160; 當(dāng)今，對(duì)數(shù)據(jù)采集來(lái)說(shuō), 其測(cè)量的精度取決于包括傳感器、信號(hào)調(diào)理，電纜連接和數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備等眾多因素，也就是說(shuō)，注意應(yīng)用上述一系列技術(shù)問(wèn)題是解決精確測(cè)量的關(guān)鍵。那末采用哪幾項(xiàng)技術(shù),能保證實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的精確測(cè)量呢？這是本文需要討論分析的。1、 電壓基準(zhǔn)是首位    電壓基準(zhǔn)是精密模擬產(chǎn)品的保證，但采用外部電壓基準(zhǔn)的最大潛在誤差源是參考電壓。為了解決基準(zhǔn)所帶來(lái)的誤差源，應(yīng)從以下幾點(diǎn)著手,即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與溫度漂移及輸出噪聲。1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-并聯(lián)(兩端子)型或串聯(lián)(三端子)型。在操作中，并聯(lián)基準(zhǔn)與齊納二極管非常相似，因?yàn)樗鼈兌夹枰獠侩娮杵鬟M(jìn)行

4、偏置。外部電阻器決定了能夠輸送給負(fù)載的最大電流。當(dāng)負(fù)載接近恒定且電源電壓變化極小時(shí)，應(yīng)考慮采用并聯(lián)基準(zhǔn)。串聯(lián)基準(zhǔn)不需要任何的外部元件，如果負(fù)載是變化的,而且降壓電壓開(kāi)銷(xiāo)十分重要的場(chǎng)合考慮使用。在對(duì)電源電壓變化的耐受性上，它也強(qiáng)于并聯(lián)基準(zhǔn)。1.2溫度漂移-溫度漂移指的是因溫度變化所導(dǎo)致的輸出電壓變化，以ppmºC為單位來(lái)表示。與帶隙型電壓基準(zhǔn)相比，埋入型齊納二極管基準(zhǔn)(例如REF02、REFl02)的溫度漂移通常更小。溫度漂移可用多種方法(斜坡、蝶形電路或邏輯框)來(lái)確定，但最常用的方法是邏輯框法，計(jì)算公式如下：     1.3輸出噪聲-輸出噪聲通

5、常是在兩個(gè)頻率范圍內(nèi)確定的，即0.1Hz至10Hz(峰-峰噪聲)和10Hz至1kHz(RMS噪聲)。噪聲是很重要的，因?yàn)樗锌赡芸s小采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有可能完全因?yàn)榛鶞?zhǔn)噪聲的緣故而在LSB中發(fā)生高頻脈動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)外部濾波來(lái)降低噪聲。電壓基準(zhǔn)如例如串聯(lián)REF02、REFl02或并聯(lián)REFl004-xx系列可選用。1.4或采用一種比例測(cè)量方式。    用一個(gè)信號(hào)既用作激勵(lì)傳感器又用作為參考電壓，這樣可以消除基準(zhǔn)引起的誤差(如圖1所示)。為激勵(lì)源和基準(zhǔn)同時(shí)漂移，漂移誤差相互抵消。2、 高質(zhì)量電阻網(wǎng)絡(luò)的使用-對(duì)電子元件的溫度變化的補(bǔ)償

6、0;   在數(shù)據(jù)采集硬件內(nèi),電子元件的規(guī)格依賴(lài)于工作溫度，故應(yīng)選擇的電子元件都具有很高的溫度穩(wěn)定性，在15到35的工作溫度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備將溫度引起的誤差減小到每攝氏度不超過(guò)信號(hào)真實(shí)值的0.0006%。所有這些特性都有助于保證測(cè)量具有很高的可靠性而無(wú)需考慮數(shù)據(jù)采集硬件工作溫度，在實(shí)際中那些設(shè)計(jì)有助于最小化誤差。溫度漂移保護(hù)電路與高精度前置放大電路    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在A/D之前采用高精度前置輸入放大器的作用是在A/D的輸入端存電流瞬變的情況下能提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的信號(hào)。它還能提供增益(或衰減)、電平移位、濾波及其他信號(hào)修

7、整功能。由于DC準(zhǔn)確度的要求有可能使放大器的選擇范圍變小,故放大器必須具有足夠低的失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、輸入偏置電流、噪聲等，以滿(mǎn)足所需的準(zhǔn)確度性能指標(biāo)。    另外,數(shù)據(jù)采集的高精度前置放大電路設(shè)計(jì)可以使芯片上的元件會(huì)具有消除溫度漂移誤差的方式響應(yīng)溫度變化。例如,高質(zhì)量的電阻網(wǎng)絡(luò),即使在高溫的情況下也可以精確地保持設(shè)置的比例。這就使得在設(shè)備的整個(gè)工作范圍內(nèi)都可以提供穩(wěn)定的可編程的增益。3、也可采用板上溫度傳感器    這是由于板上溫度傳感器可確保其測(cè)量在已知的溫度下工作,從而使測(cè)量更加可靠。其方法是可從開(kāi)發(fā)環(huán)境

8、,如NI的LabVIEW或Code Composer Studio的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)中可以讀出板上傳感器的溫度，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的函數(shù)調(diào)用就可以更新存儲(chǔ)在設(shè)備上的校準(zhǔn)常數(shù)。4、可編程增益放大器的應(yīng)用    采用可編程增益放大器(PGA)。它是通用型極好的數(shù)據(jù)采集輸入放大器，它能夠?qū)υ鲆孢M(jìn)行數(shù)字控制，以提高準(zhǔn)確度并擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。許多PGA都具有即使在電源切斷的情況下仍被保持于±40V的輸入。單輸入型放大器可與各種傳感器或信號(hào)相連。在處理器的控制下，開(kāi)關(guān)增益可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍得到擴(kuò)展。    所有的PGA系

9、列放大器均采用TTL或CMOS兼容型輸入，旨在實(shí)現(xiàn)與微處理器的簡(jiǎn)易連接。對(duì)輸入進(jìn)行激光修整，以實(shí)現(xiàn)低失調(diào)電壓和低漂移，從而可在無(wú)需外部元件的情況下使用。該P(yáng)GA系列放大器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下二點(diǎn)：*增益誤差和漂移一為了獲得更高的增益，高精密型應(yīng)用將要求更加密切地關(guān)注漂移和增益誤差。*輸入偏置電流一指的是每個(gè)放大器輸入在輸入失調(diào)電壓為零時(shí)產(chǎn)生0V輸出所需的DC電流。高源阻抗應(yīng)用通常要求采用FET輸入放大器，這種放大器因?yàn)樗璧钠秒娏鳂O低而最大限度地減少了偏置電流誤差。    這種特殊的集成電路可以在一個(gè)很寬的增益和采樣速率范圍內(nèi)保證精度。它主要解決或克服一般商

10、用放大器常在高增益時(shí)帶寬減小從而導(dǎo)致時(shí)間建立慢到無(wú)法接受所造成的誤差。為了保證測(cè)量的精度，放大器必須在沒(méi)有振蕩或者振鈴的情況也能建立并穩(wěn)定下來(lái)。如果沒(méi)有這種技術(shù)，在高增益和采樣速率的情況下，16位的ADC可能達(dá)到40個(gè)最低位的信號(hào)誤差。其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備供應(yīng)商經(jīng)常忽視儀器級(jí)放大器的重要性，這就導(dǎo)致在高增益和采樣速率時(shí)分辨率較低和不精確。5、用RC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化A/D特性及采用高斯分布的隨機(jī)“抖動(dòng)”技術(shù)增強(qiáng)分辨率*所謂“抖動(dòng)”定義是一個(gè)數(shù)字信號(hào)在有效時(shí)點(diǎn)上距離理想時(shí)間位置的短期變化，而熱噪聲和散粒噪聲將遵守高斯分布。    采用了這種隨機(jī)“抖動(dòng)”的技術(shù),使低頻測(cè)量

11、(比如溫度和應(yīng)變測(cè)量中)的1 2位DAQ設(shè)備在分辨率上的性能可以提高4倍,從而大大增強(qiáng)了分辨率,這是為什么？該抖動(dòng)電路實(shí)際上是將小量的高斯噪聲加到信號(hào)上。直觀看起來(lái)，增加噪聲好像是違反常規(guī)的，但是如果系統(tǒng)(設(shè)備)給輸入的信號(hào)增加了合適的噪聲，并平均了數(shù)字化信號(hào)值，那么就可以達(dá)到比ADC芯片規(guī)定的更高的分辨率。故值此稱(chēng)該“抖動(dòng)”為分辨率增強(qiáng)技術(shù)。由于采用分辨率增強(qiáng)技術(shù)能使16位多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(設(shè)備)的性能可提高到18位分辨率，12位設(shè)備性能表現(xiàn)達(dá)到14位分辨率。*輸入放大器一般通過(guò)R-C網(wǎng)絡(luò)與A/D相連。該網(wǎng)絡(luò)雖然常常被稱(chēng)為濾波器，它的存在取決于來(lái)自A/D輸入電路的電流脈沖,其實(shí)際作用卻是“

12、規(guī)整”。該電路的線(xiàn)路參數(shù)取決于放大器和A/D的特性，且往往必須針對(duì)某項(xiàng)特定的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。最佳的電容器數(shù)值通常為A/D的輸入電容的1050倍。電阻器的阻值則是以滿(mǎn)足應(yīng)用的速度或帶寬要求為目標(biāo)來(lái)選擇的。6、電纜連接與信號(hào)調(diào)理及4-20mA發(fā)送器    一些影響精度的組件，包括信號(hào)調(diào)理電路、4-20mA發(fā)送器及電纜連接，常常會(huì)被忽視。    6.1應(yīng)將電纜都經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)以保護(hù)信號(hào)的完整性和精度。它們所包括的獨(dú)特設(shè)計(jì)有模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分離，模擬輸出單獨(dú)屏蔽，所有模擬輸入都采用單獨(dú)屏蔽的雙絞線(xiàn)，電壓線(xiàn)采用大導(dǎo)體和雙接地屏

13、蔽，如果信號(hào)在數(shù)字化之前已經(jīng)被破壞那么再精確的數(shù)字化儀也毫無(wú)價(jià)值。還應(yīng)提供一個(gè)普通的用螺絲固定的終端盒,該盒帶屏蔽和用于冷端補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?，其可用于高精度測(cè)量的可以是一個(gè)模塊化信號(hào)調(diào)理平臺(tái)。6.2為什么信號(hào)調(diào)理平臺(tái)是獨(dú)特的關(guān)鍵技術(shù)呢？    儀器信號(hào)調(diào)理是種高性能、多通道的信號(hào)調(diào)理與開(kāi)關(guān)平臺(tái)，模擬輸入模塊可以在系統(tǒng)與各種傳感器和信號(hào)間建立一個(gè)接口，借助高性能、低噪音的信號(hào)調(diào)理功能，來(lái)提高測(cè)量質(zhì)量與可靠性，這些信號(hào)調(diào)理功能包括：高性能，低噪音的信號(hào)調(diào)理功能，如放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵(lì)、同步采樣與保持和開(kāi)關(guān)等。*完整的電壓輸出橋接器傳感器調(diào)理

14、器的采用    經(jīng)常采用的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)采用何種形式是完整的電壓輸出橋接器傳感器調(diào)理器,見(jiàn)圖3方框所示(典型以TI-PGA309為例)。它免除了電位計(jì)和傳感器修整。利用存儲(chǔ)在低成本、SOT23-5封裝的外部EEPROM中的溫度系數(shù)來(lái)對(duì)跨距和失調(diào)進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)。提供激勵(lì)電壓線(xiàn)性化、內(nèi)部/外部溫度監(jiān)控以及內(nèi)部/外部電壓基準(zhǔn)(包括電源)的選擇。該器件采用可設(shè)置的過(guò)壓/欠壓標(biāo)度限值并具有故障檢測(cè)電路。如NI公司產(chǎn)的SCXI是一個(gè)模塊化信號(hào)調(diào)理是一種高性能、多通道的信號(hào)調(diào)理和矩陣開(kāi)關(guān)平臺(tái),專(zhuān)供數(shù)據(jù)采集卡或模塊化儀器設(shè)備使用。一套SCXI系統(tǒng)通常由一個(gè)或多個(gè)堅(jiān)固的機(jī)箱組

15、成，內(nèi)裝多個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊，以滿(mǎn)足對(duì)I/O的需求。圖為SCXI和PXI組合機(jī)箱。6.3  4-20mA發(fā)送器    4-20mA發(fā)送器是提供通用型儀表放大器(1A)輸入和電流環(huán)路輸出，使得模擬信號(hào)能夠在不損失準(zhǔn)確度的情況下進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。這器件中有很多還包括定量、補(bǔ)償、傳感器激勵(lì)和線(xiàn)性化電路。如4-20mA發(fā)送器XTRl08可為RTD(電阻溫度檢測(cè)器)信號(hào)整形提供一條數(shù)字控制的模擬信號(hào)路徑。XTRl08允許通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字串行接口對(duì)傳感器和發(fā)送器誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，從而無(wú)需采用昂貴的電位計(jì)或改變電路參數(shù)值。校準(zhǔn)設(shè)定值可以存儲(chǔ)在廉價(jià)的EEPROM

16、中，以便于在常規(guī)操作過(guò)程中進(jìn)行檢索。圖4為4-20mA發(fā)送器設(shè)計(jì)方案。7、高檔AD轉(zhuǎn)換器    逐次逼近寄存器(SAR)型A/D常常是具有中等采樣速率的中高分辨率應(yīng)用所選擇的架構(gòu)。SAR型A/D的分辨率范圍為8至18位，速率一般低于10MSPS。其特點(diǎn)是功耗低、外形尺寸小。在SAR型A/D中，位是由高速、高精度比較器的位逐一決定的(從最大有效位-MSB到最小有效位-LSB)。這是通過(guò)將模擬輸入與其輸出被先前確定的位所更新并逐漸逼近模擬輸入的DAC進(jìn)行比較來(lái)完成的, SAR型A/D框圖如圖5所示，如ADS78xx系列14位A/D。8、結(jié)論    綜上所述,采用一系列現(xiàn)代技術(shù)，可為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得精確度的測(cè)量。它們應(yīng)具備：電壓基準(zhǔn)；高質(zhì)量電阻網(wǎng)絡(luò)的使用；板上溫度傳感器的采用；數(shù)字可編程增益放大器的應(yīng)用；采用接高斯分布的隨機(jī)抖動(dòng)；完整的電壓輸出橋接器傳感器調(diào)理器、4-20mA發(fā)送器及屏蔽電纜連接；高檔SAR型AD轉(zhuǎn)換器等項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其示意框圖見(jiàn)圖6所示。由此設(shè)計(jì)制作成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采樣率為333kS/s,分辨率為16位時(shí)DC精確度為±0.8