測量精度的五大迷思

前言

對于一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，測量精度是評估其性能的一個重要參數(shù)，也是科學家們不斷努力希望提高的一個指標。在實際應用中，很多工程師都會面臨測量精度的各種問題：它與模數(shù)轉換器的分辨率有什么區(qū)別?哪些因素會產(chǎn)生系統(tǒng)的測量噪聲?對于工程師而言，又有哪些實用的技巧可以幫助提高這個指標?這些都是值得深究的問題。

在本文中，將針對測量精度最常見的五個問題予以詳細的說明與解答。

迷思一：分辨率=測量精度嗎

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?這個問題困擾了不知多少工程師，而其實質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經(jīng)采樣后可以被分成的最小部分，例如帶12位模數(shù)轉換器(ADC)的數(shù)采卡，當輸入電壓范圍為±10V(即Vpp=20V)，那么它所能分辨到的最小電壓就是20V/(212)=4.88mV。

相對而言，精度的概念是指測量值與“真實”值之間的最大偏差的絕對值。如圖1所示，信號在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會受到參考量隨時間、溫度的飄移誤差、隨機誤差、非線性誤差、增益誤差等影響，這些影響綜合之后對測量結果所產(chǎn)生的影響就是我們所說的測量精度。

圖1 誤差的來源

因此，對于工程師而言，除了AD轉換器的位數(shù)，更重要的是需要了解自己所購買的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對精度指標，有時一塊16位的數(shù)據(jù)采集卡的精度可能還不如一塊設計良好的12位數(shù)據(jù)采集卡的精度。圖2所示的NI 628X系列技術參數(shù)表中就詳細列出了像增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值以及綜合之后的絕對精度值，提供給客戶以完整的信息，確保最終測量的準確性。

圖2 NI 628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對精度表

迷思二：別讓信號輸在起跑線上

很多工程師會選用最高性能的數(shù)據(jù)采集卡，但是對于線纜和接線端子，則并不予以重視，而使用相對較低成本的產(chǎn)品。這種做法本身就是錯誤的，因為如果線纜和接線端子的質量不佳，那么在信號進入數(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)于事無補。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有經(jīng)過專門屏蔽設計的(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，此外雙絞線的設計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)，線纜為模擬信號線專門設置了3層的屏蔽。

圖3 線纜與接線端子

此外，換一種思路，如果整個系統(tǒng)根本就沒有線纜的話，那么豈不是可從根本上解決物理噪聲引入的問題了?可喜的是，隨著無線技術的不斷發(fā)展，這個最初的設想已經(jīng)成為了現(xiàn)實。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等無線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品已經(jīng)問世，從而幫助工程師們擺脫線纜的困擾，通過無線的協(xié)議加密技術，可以大大降低信號的引入噪聲。

迷思三：什么是接地環(huán)路

假設我們有一個數(shù)字萬用表，將兩個探頭分別連在一間屋的兩個插座的地上，你覺得萬用表的讀數(shù)是不是0?當然，答案顯然不是0，這是由于線纜本身具有內阻值，以及功率分配波動等影響因素，兩個地之間總會產(chǎn)生電勢差，因此真正絕對意義的地并不存在。

那么，如果我們在測試電路中，將兩個地連在一起之后，由于電勢差的產(chǎn)生，那么就會產(chǎn)生電流，這也就是我們所說的“接地環(huán)路”現(xiàn)象。

接地環(huán)路會嚴重影響測試結果，例如，在圖4所示的電路中，為了能夠長時間監(jiān)測一個電機的溫度，在電機上連上一個熱電偶傳感器，由于電機箱是接地的，因此熱電偶也接地，而數(shù)據(jù)采集設備地與電機箱地之間存在電勢差，因此產(chǎn)生了電流。你可以注意到，加在測試信號的噪聲可能是交流的，或者一個簡單的直流偏移值，但最終無可避免地影響了測試精度。

圖4 接地環(huán)路影響測試結果

為了避免接地環(huán)路，需要選擇合適的接地模式，特別是在測量一個接地傳感器時，應該盡量避免使用單端輸入方式(RSE)，這種方式會直接在數(shù)據(jù)采集設備與傳感器地間產(chǎn)生電流。如果使用的是差分方式(DIFF)，由于電路為開路，因此電流被制止，從而較好地抑制了接地環(huán)路。當然，相比于差分，通過隔離技術(見圖5)，可以在不讓兩個地相連，分隔數(shù)據(jù)采集設備地的同時，保持數(shù)據(jù)值的傳輸，從而從根本上解決了環(huán)路問題.

圖5 隔離技術解決接地環(huán)路問題

迷思四：軟件的作用

作為一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件在其中的作用日益得到重視，它除了可以為整個系統(tǒng)提供靈活性與可擴展性之外，還可以利用軟件對采集得到的信號進行后處理，從而提高測量結果的正確性。

最常用的就是軟件濾波技術，如果事先對所測得的信號情況已有一定的了解(例如知道信號中被引入了50Hz的電源噪聲)，那么就可以針對性地對其后處理，從而還原更真實的信號。相比于傳統(tǒng)的硬件級濾波，軟件具有簡單、靈活并且成本低廉等優(yōu)勢，與此同時，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NI LabVIEW圖形化開發(fā)平臺實現(xiàn)軟件濾波的實例，當信號具有一定噪聲時，通過LabVIEW自帶的濾波器VI，對信號進行低通濾波，濾除掉25Hz以上的噪聲，從而得到原始信號(Fitered Signal)。

圖6 使用LabVIEW實現(xiàn)軟件濾波

當然，軟件所能發(fā)揮的作用遠非如此。在很多前沿應用時，一些原始的信號對研究來說也可能是噪聲(例如對虎鯨叫聲的分析時，海水的聲音就是一種噪聲)，對于這些問題，如果在軟件中使用一些高級的信號處理算法(例如聯(lián)合時頻分析、小波分析等)就可以解決。例如，利用聯(lián)合時頻分析的高級算法，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，可以預見的是，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與數(shù)據(jù)。

迷思五：重視校準

“時間能夠沖淡一切”，這句話用于測試系統(tǒng)也同樣受用，我們知道，時間的推移(持續(xù)工作的時間以及環(huán)境條件的影響)都會讓任何儀器中的電子器件的精度產(chǎn)生偏差，從而給測量帶來很大的不確定性。解決該問題的關鍵所在，就是必須定期對儀器和板卡進行校準。

一般而言，校準就是將儀器的當前性能與已知的標準精度進行比較，通過對儀器測量能力的調整，確保其測量精度在廠商提供的標準范圍內。要想完成對一個儀器的外部校準，可以將其送回原廠，或者送至一個校準計量實驗室進行校準。另一方面，在選擇儀器的時候，工程師們需要仔細考慮外部校準時間間隔這個參數(shù)，這可以大大減少自動化測試系統(tǒng)的維護成本。

當然，作為一種在校準周期內改善儀器測量精度的方法，某些廠商的板卡或儀器還包含了非常實用的自校準功能，它們含有精確的電壓參考源等硬件資源，可以隨時快速地校準該儀器，從而減少因環(huán)境等因素造成的測量誤差。

結論

幾乎所有的工程應用對系統(tǒng)的測量精度都有著很嚴格的要求。它的概念并非分辨率那么簡單，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)，通過合理的布置與屏蔽可以抵制測量噪聲的引入，也可以通過軟件進行針對性的后處理，從而提高結果的準確度。當然，為了避免時間的影響，定時對儀器進行校準也是不容忽視的問題。