確保數(shù)據(jù)采集的測量精確度應(yīng)注意的幾個技術(shù)問題

1、        摘要: 本文需要討論分折確保數(shù)據(jù)采集的測量精確度應(yīng)注意的有關(guān)技術(shù)問題關(guān)鍵詞：精確度 分辨率 基準(zhǔn) 漂移 信號調(diào)理    對數(shù)據(jù)采集測量來說,精度是反映一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀入的信號測量值有多大程度的真實性。不精確的測量可能會使開發(fā)項目與方案設(shè)計及產(chǎn)品質(zhì)量或自動化測試應(yīng)用等費工費時全功盡棄，因此確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度是設(shè)計方案的主要問題。    但現(xiàn)實中,人們往往將精度與分辨率混淆。其實分辨率表示的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能檢測的最小

2、信號變化量。實際上一個項目或設(shè)備的整體精度和分辨率取決于增益、偏置和時間等運行環(huán)境因素。一個數(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)出的性能往往遠低于期望值。如果不精確的測量問題直到樣機運行或批量生產(chǎn)時才被發(fā)現(xiàn)，那么整個開發(fā)項目與方案設(shè)計及產(chǎn)品質(zhì)量或自動化測試應(yīng)用等會全功盡棄。因此確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量精度是重中之重。  &

3、#160; 當(dāng)今，對數(shù)據(jù)采集來說, 其測量的精度取決于包括傳感器、信號調(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，注意應(yīng)用上述一系列技術(shù)問題是解決精確測量的關(guān)鍵。那末采用哪幾項技術(shù),能保證實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的精確測量呢？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)所帶來的誤差源，應(yīng)從以下幾點著手,即拓撲結(jié)構(gòu)與溫度漂移及輸出噪聲。1.1拓撲結(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，因為它們都需要外部電阻器進行

4、偏置。外部電阻器決定了能夠輸送給負載的最大電流。當(dāng)負載接近恒定且電源電壓變化極小時，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，如果負載是變化的,而且降壓電壓開銷十分重要的場合考慮使用。在對電源電壓變化的耐受性上，它也強于并聯(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)來確定，但最常用的方法是邏輯框法，計算公式如下：     1.3輸出噪聲-輸出噪聲通

5、常是在兩個頻率范圍內(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，因為它有可能縮小采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍。高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有可能完全因為基準(zhǔn)噪聲的緣故而在LSB中發(fā)生高頻脈動?？赏ㄟ^外部濾波來降低噪聲。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或采用一種比例測量方式。    用一個信號既用作激勵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)。為激勵源和基準(zhǔn)同時漂移，漂移誤差相互抵消。2、 高質(zhì)量電阻網(wǎng)絡(luò)的使用-對電子元件的溫度變化的補償

6、0;   在數(shù)據(jù)采集硬件內(nèi),電子元件的規(guī)格依賴于工作溫度，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信號真實值的0.0006%。所有這些特性都有助于保證測量具有很高的可靠性而無需考慮數(shù)據(jù)采集硬件工作溫度，在實際中那些設(shè)計有助于最小化誤差。溫度漂移保護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。它還能提供增益(或衰減)、電平移位、濾波及其他信號修

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)計可以使芯片上的元件會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量在已知的溫度下工作,從而使測量更加可靠。其方法是可從開發(fā)環(huán)境

8、,如NI的LabVIEW或Code Composer Studio的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)中可以讀出板上傳感器的溫度，然后通過簡單的函數(shù)調(diào)用就可以更新存儲在設(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行數(shù)字控制，以提高準(zhǔn)確度并擴展動態(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相連。在處理器的控制下，開關(guān)增益可使系統(tǒng)的動態(tài)范圍得到擴展。    所有的PGA系

9、列放大器均采用TTL或CMOS兼容型輸入，旨在實現(xiàn)與微處理器的簡易連接。對輸入進行激光修整，以實現(xiàn)低失調(diào)電壓和低漂移，從而可在無需外部元件的情況下使用。該PGA系列放大器設(shè)計應(yīng)考慮以下二點：*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放大器輸入在輸入失調(diào)電壓為零時產(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，這種放大器因為所需的偏置電流極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帶寬減小從而導(dǎo)致時間建立慢到無法接受所造成的誤差。為了保證測量的精度，放大器必須在沒有振蕩或者振鈴的情況也能建立并穩(wěn)定下來。如果沒有這種技術(shù)，在高增益和采樣速率的情況下，16位的ADC可能達到40個最低位的信號誤差。其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備供應(yīng)商經(jīng)常忽視儀器級放大器的重要性，這就導(dǎo)致在高增益和采樣速率時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“抖動”技術(shù)增強分辨率*所謂“抖動”定義是一個數(shù)字信號在有效時點上距離理想時間位置的短期變化，而熱噪聲和散粒噪聲將遵守高斯分布。    采用了這種隨機“抖動”的技術(shù),使低頻測量

11、(比如溫度和應(yīng)變測量中)的1 2位DAQ設(shè)備在分辨率上的性能可以提高4倍,從而大大增強了分辨率,這是為什么？該抖動電路實際上是將小量的高斯噪聲加到信號上。直觀看起來，增加噪聲好像是違反常規(guī)的，但是如果系統(tǒng)(設(shè)備)給輸入的信號增加了合適的噪聲，并平均了數(shù)字化信號值，那么就可以達到比ADC芯片規(guī)定的更高的分辨率。故值此稱該“抖動”為分辨率增強技術(shù)。由于采用分辨率增強技術(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)達到14位分辨率。*輸入放大器一般通過R-C網(wǎng)絡(luò)與A/D相連。該網(wǎng)絡(luò)雖然常常被稱為濾波器，它的存在取決于來自A/D輸入電路的電流脈沖,其實際作用卻是“

12、規(guī)整”。該電路的線路參數(shù)取決于放大器和A/D的特性，且往往必須針對某項特定的應(yīng)用進行優(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足應(yīng)用的速度或帶寬要求為目標(biāo)來選擇的。6、電纜連接與信號調(diào)理及4-20mA發(fā)送器    一些影響精度的組件，包括信號調(diào)理電路、4-20mA發(fā)送器及電纜連接，常常會被忽視。    6.1應(yīng)將電纜都經(jīng)過特殊設(shè)計以保護信號的完整性和精度。它們所包括的獨特設(shè)計有模擬信號與數(shù)字信號分離，模擬輸出單獨屏蔽，所有模擬輸入都采用單獨屏蔽的雙絞線，電壓線采用大導(dǎo)體和雙接地屏

13、蔽，如果信號在數(shù)字化之前已經(jīng)被破壞那么再精確的數(shù)字化儀也毫無價值。還應(yīng)提供一個普通的用螺絲固定的終端盒,該盒帶屏蔽和用于冷端補償?shù)臏囟葌鞲衅?，其可用于高精度測量的可以是一個模塊化信號調(diào)理平臺。6.2為什么信號調(diào)理平臺是獨特的關(guān)鍵技術(shù)呢？    儀器信號調(diào)理是種高性能、多通道的信號調(diào)理與開關(guān)平臺，模擬輸入模塊可以在系統(tǒng)與各種傳感器和信號間建立一個接口，借助高性能、低噪音的信號調(diào)理功能，來提高測量質(zhì)量與可靠性，這些信號調(diào)理功能包括：高性能，低噪音的信號調(diào)理功能，如放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、傳感器激勵、同步采樣與保持和開關(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)常采用的信號調(diào)理平臺采用何種形式是完整的電壓輸出橋接器傳感器調(diào)理器,見圖3方框所示(典型以TI-PGA309為例)。它免除了電位計和傳感器修整。利用存儲在低成本、SOT23-5封裝的外部EEPROM中的溫度系數(shù)來對跨距和失調(diào)進行數(shù)字校準(zhǔn)。提供激勵電壓線性化、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)置的過壓/欠壓標(biāo)度限值并具有故障檢測電路。如NI公司產(chǎn)的SCXI是一個模塊化信號調(diào)理是一種高性能、多通道的信號調(diào)理和矩陣開關(guān)平臺,專供數(shù)據(jù)采集卡或模塊化儀器設(shè)備使用。一套SCXI系統(tǒng)通常由一個或多個堅固的機箱組

15、成，內(nèi)裝多個信號調(diào)理模塊，以滿足對I/O的需求。圖為SCXI和PXI組合機箱。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，使得模擬信號能夠在不損失準(zhǔn)確度的情況下進行長距離傳輸。這器件中有很多還包括定量、補償、傳感器激勵和線性化電路。如4-20mA發(fā)送器XTRl08可為RTD(電阻溫度檢測器)信號整形提供一條數(shù)字控制的模擬信號路徑。XTRl08允許通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字串行接口對傳感器和發(fā)送器誤差進行校準(zhǔn)，從而無需采用昂貴的電位計或改變電路參數(shù)值。校準(zhǔn)設(shè)定值可以存儲在廉價的EEPROM

16、中，以便于在常規(guī)操作過程中進行檢索。圖4為4-20mA發(fā)送器設(shè)計方案。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進行比較來完成的, 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抖動；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)換器等項關(guān)鍵技術(shù),其示意框圖見圖6所示。由此設(shè)計制作成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采樣率為333kS/s,分辨率為16位時DC精確度為±0.8