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測(cè)量精度的五大要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2011-05-06

中心議題:
  • 測(cè)量精度的五大要點(diǎn)

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言,測(cè)量精度是評(píng)估其性能的一個(gè)重要參數(shù),也是科學(xué)家們不斷努力希望提高的一個(gè)指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中,很多工程師都會(huì)面臨測(cè)量精度的各種問(wèn)題:它與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率有什么區(qū)別?哪些因素會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)量噪聲?對(duì)于工程師而言,又有哪些實(shí)用的技巧可以幫助提高這個(gè)指標(biāo)?這些都是值得深究的問(wèn)題。
  
在本文中,將針對(duì)測(cè)量精度最常見(jiàn)的五個(gè)問(wèn)題予以詳細(xì)的說(shuō)明與解答。
  
迷思一:分辨率=測(cè)量精度嗎
  
市面上12位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度都是一樣的嗎?這個(gè)問(wèn)題困擾了不知多少工程師,而其實(shí)質(zhì)就是分辨率與精度的概念區(qū)別。
  
分辨率通常指的是最大的信號(hào)經(jīng)采樣后可以被分成的最小部分,例如帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)采卡,當(dāng)輸入電壓范圍為±10V(即Vpp=20V),那么它所能分辨到的最小電壓就是20V/(212)=4.88mV。
  
相對(duì)而言,精度的概念是指測(cè)量值與“真實(shí)”值之間的最大偏差的絕對(duì)值。如圖1所示,信號(hào)在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會(huì)受到參考量隨時(shí)間、溫度的飄移誤差、隨機(jī)誤差、非線性誤差、增益誤差等影響,這些影響綜合之后對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響就是我們所說(shuō)的測(cè)量精度。


圖1誤差的來(lái)源
  
因此,對(duì)于工程師而言,除了AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù),更重要的是需要了解自己所購(gòu)買的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度指標(biāo),有時(shí)一塊16位的數(shù)據(jù)采集卡的精度可能還不如一塊設(shè)計(jì)良好的12位數(shù)據(jù)采集卡的精度。圖2所示的NI628X系列技術(shù)參數(shù)表中就詳細(xì)列出了像增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值以及綜合之后的絕對(duì)精度值,提供給客戶以完整的信息,確保最終測(cè)量的準(zhǔn)確性。


圖2NI628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度表
  
迷思二:別讓信號(hào)輸在起跑線上
  
很多工程師會(huì)選用最高性能的數(shù)據(jù)采集卡,但是對(duì)于線纜和接線端子,則并不予以重視,而使用相對(duì)較低成本的產(chǎn)品。這種做法本身就是錯(cuò)誤的,因?yàn)槿绻€纜和接線端子的質(zhì)量不佳,那么在信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前就已經(jīng)受到了很大的噪聲干擾,真正地讓信號(hào)輸在了“起跑線”上,即使后端的采集精度再高也已經(jīng)于事無(wú)補(bǔ)。而為了防止這種情況的發(fā)生,使用帶屏蔽功能的線纜與接線端子是有效的方法。
  
以前使用的線纜和接線端子都是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門(mén)屏蔽設(shè)計(jì)的(圖3上面部分),如今很多數(shù)據(jù)采集廠商(例如NI)都推出了帶屏蔽的線纜與接線端子,此外雙絞線的設(shè)計(jì)還可以有效避免通道間的互相干涉,從圖中線纜的切面圖中也可以看到(圖3右下),線纜為模擬信號(hào)線專門(mén)設(shè)置了3層的屏蔽。


圖3線纜與接線端子
  
此外,換一種思路,如果整個(gè)系統(tǒng)根本就沒(méi)有線纜的話,那么豈不是可從根本上解決物理噪聲引入的問(wèn)題了?可喜的是,隨著無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展,這個(gè)最初的設(shè)想已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等無(wú)線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世,從而幫助工程師們擺脫線纜的困擾,通過(guò)無(wú)線的協(xié)議加密技術(shù),可以大大降低信號(hào)的引入噪聲。
  
迷思三:什么是接地環(huán)路
  
假設(shè)我們有一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表,將兩個(gè)探頭分別連在一間屋的兩個(gè)插座的地上,你覺(jué)得萬(wàn)用表的讀數(shù)是不是0?當(dāng)然,答案顯然不是0,這是由于線纜本身具有內(nèi)阻值,以及功率分配波動(dòng)等影響因素,兩個(gè)地之間總會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差,因此真正絕對(duì)意義的地并不存在。
  
那么,如果我們?cè)跍y(cè)試電路中,將兩個(gè)地連在一起之后,由于電勢(shì)差的產(chǎn)生,那么就會(huì)產(chǎn)生電流,這也就是我們所說(shuō)的“接地環(huán)路”現(xiàn)象。
  
接地環(huán)路會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果,例如,在圖4所示的電路中,為了能夠長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)一個(gè)電機(jī)的溫度,在電機(jī)上連上一個(gè)熱電偶傳感器,由于電機(jī)箱是接地的,因此熱電偶也接地,而數(shù)據(jù)采集設(shè)備地與電機(jī)箱地之間存在電勢(shì)差,因此產(chǎn)生了電流。你可以注意到,加在測(cè)試信號(hào)的噪聲可能是交流的,或者一個(gè)簡(jiǎn)單的直流偏移值,但最終無(wú)可避免地影響了測(cè)試精度。


圖4接地環(huán)路影響測(cè)試結(jié)果
  
為了避免接地環(huán)路,需要選擇合適的接地模式,特別是在測(cè)量一個(gè)接地傳感器時(shí),應(yīng)該盡量避免使用單端輸入方式(RSE),這種方式會(huì)直接在數(shù)據(jù)采集設(shè)備與傳感器地間產(chǎn)生電流。如果使用的是差分方式(DIFF),由于電路為開(kāi)路,因此電流被制止,從而較好地抑制了接地環(huán)路。當(dāng)然,相比于差分,通過(guò)隔離技術(shù)(見(jiàn)圖5),可以在不讓兩個(gè)地相連,分隔數(shù)據(jù)采集設(shè)備地的同時(shí),保持?jǐn)?shù)據(jù)值的傳輸,從而從根本上解決了環(huán)路問(wèn)題.


圖5隔離技術(shù)解決接地環(huán)路問(wèn)題
  
迷思四:軟件的作用
  
作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),軟件在其中的作用日益得到重視,它除了可以為整個(gè)系統(tǒng)提供靈活性與可擴(kuò)展性之外,還可以利用軟件對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行后處理,從而提高測(cè)量結(jié)果的正確性。

最常用的就是軟件濾波技術(shù),如果事先對(duì)所測(cè)得的信號(hào)情況已有一定的了解(例如知道信號(hào)中被引入了50Hz的電源噪聲),那么就可以針對(duì)性地對(duì)其后處理,從而還原更真實(shí)的信號(hào)。相比于傳統(tǒng)的硬件級(jí)濾波,軟件具有簡(jiǎn)單、靈活并且成本低廉等優(yōu)勢(shì),與此同時(shí),CPU日益提升的處理速度也已可完全勝任任何的濾波算法處理。
  
圖6就是使用NILabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件濾波的實(shí)例,當(dāng)信號(hào)具有一定噪聲時(shí),通過(guò)LabVIEW自帶的濾波器VI,對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波,濾除掉25Hz以上的噪聲,從而得到原始信號(hào)(FiteredSignal)。


圖6使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)軟件濾波
  
當(dāng)然,軟件所能發(fā)揮的作用遠(yuǎn)非如此。在很多前沿應(yīng)用時(shí),一些原始的信號(hào)對(duì)研究來(lái)說(shuō)也可能是噪聲(例如對(duì)虎鯨叫聲的分析時(shí),海水的聲音就是一種噪聲),對(duì)于這些問(wèn)題,如果在軟件中使用一些高級(jí)的信號(hào)處理算法(例如聯(lián)合時(shí)頻分析、小波分析等)就可以解決。例如,利用聯(lián)合時(shí)頻分析的高級(jí)算法,在LabVIEW下成功截取到虎鯨的叫聲,而將海水的聲音與其他噪聲都去除。因此,可以預(yù)見(jiàn)的是,軟件在數(shù)據(jù)后處理方面將起到舉足輕重的作用,從而幫助工程師得到自己所需要的信號(hào)與數(shù)據(jù)。
  
迷思五:重視校準(zhǔn)
  
“時(shí)間能夠沖淡一切”,這句話用于測(cè)試系統(tǒng)也同樣受用,我們知道,時(shí)間的推移(持續(xù)工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響)都會(huì)讓任何儀器中的電子器件的精度產(chǎn)生偏差,從而給測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在,就是必須定期對(duì)儀器和板卡進(jìn)行校準(zhǔn)。
  
一般而言,校準(zhǔn)就是將儀器的當(dāng)前性能與已知的標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比較,通過(guò)對(duì)儀器測(cè)量能力的調(diào)整,確保其測(cè)量精度在廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。要想完成對(duì)一個(gè)儀器的外部校準(zhǔn),可以將其送回原廠,或者送至一個(gè)校準(zhǔn)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。另一方面,在選擇儀器的時(shí)候,工程師們需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)時(shí)間間隔這個(gè)參數(shù),這可以大大減少自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)成本。
  
當(dāng)然,作為一種在校準(zhǔn)周期內(nèi)改善儀器測(cè)量精度的方法,某些廠商的板卡或儀器還包含了非常實(shí)用的自校準(zhǔn)功能,它們含有精確的電壓參考源等硬件資源,可以隨時(shí)快速地校準(zhǔn)該儀器,從而減少因環(huán)境等因素造成的測(cè)量誤差。
  
幾乎所有的工程應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度都有著很嚴(yán)格的要求。它的概念并非分辨率那么簡(jiǎn)單,還涉及到很多其他影響因素(線纜、接線端子、接地環(huán)路現(xiàn)象等),通過(guò)合理的布置與屏蔽可以抵制測(cè)量噪聲的引入,也可以通過(guò)軟件進(jìn)行針對(duì)性的后處理,從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)然,為了避免時(shí)間的影響,定時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)也是不容忽視的問(wèn)題。

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