優(yōu)化自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度

引言

在測(cè)試測(cè)量應(yīng)用中，工程師們經(jīng)常會(huì)聽到的一個(gè)術(shù)語(yǔ)就是測(cè)量精度。對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)而言，測(cè)量精度不僅是評(píng)估其性能的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，也是科學(xué)家們不斷努力希望提高的一個(gè)指標(biāo)。雖然它的重要性得到一致的認(rèn)可，然而，很多人對(duì)它的真正定義卻不甚清楚，通常會(huì)將測(cè)量的精度(Accuracy)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率(Resolution)混為一談。那什么才是精度的真正定義呢?有哪些因素會(huì)影響到系統(tǒng)的測(cè)量精度呢?對(duì)于客戶而言，又該如何通過儀器的技術(shù)參數(shù)文檔來解讀正確的精度參數(shù)呢?

大家知道，所有的測(cè)量都是對(duì)真實(shí)值的大致估計(jì)，也就是說測(cè)量的數(shù)值總是和真實(shí)值有一定的誤差，那么這樣一個(gè)誤差的大小就是通常所說的測(cè)量精度，它反映了測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)所能真實(shí)還原測(cè)量信號(hào)值的能力。測(cè)量誤差的來源是多方面的，對(duì)于測(cè)量設(shè)備而言，除了ADC本身的各種誤差因素外，前端的信號(hào)調(diào)理和整個(gè)板卡的布局都會(huì)影響到總的測(cè)量精度;此外，測(cè)量精度還受到眾多外部因素的影響，如環(huán)境的噪聲，工作溫度等。因此，在評(píng)測(cè)一個(gè)儀器系統(tǒng)的測(cè)量精度時(shí)，除了ADC的位數(shù)，還應(yīng)該考慮設(shè)備的絕對(duì)精度值(多種誤差因素的綜合值)，以及系統(tǒng)工作在真

實(shí)環(huán)境中遇到的溫度、噪聲及其他外部因素的影響。

下面將會(huì)從儀器的技術(shù)參數(shù)入手，進(jìn)一步分析影響測(cè)量精度的幾個(gè)重要因素，最后以能夠改善測(cè)量精度的校準(zhǔn)服務(wù)結(jié)尾，幫助讀者正確地去評(píng)估和最大程度地去優(yōu)化這一重要的指標(biāo)。

正確解讀儀器的技術(shù)參數(shù)

正確解讀儀器的技術(shù)參數(shù)是理解測(cè)量精度概念的最基本要素，由于不同儀器廠商在定義測(cè)量精度時(shí)所使用的術(shù)語(yǔ)不同，或者使用相似的術(shù)語(yǔ)表示不同的含義。因而，清楚地理解定義儀器特性時(shí)所涉及的所有參數(shù)是非常重要的。

先拿最常見的數(shù)據(jù)采集卡而言，許多客戶會(huì)認(rèn)為市面上12位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度都一樣。這樣的說法就完全混淆了分辨率和精度的概念，分辨率通常是指最大的信號(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)據(jù)采集卡，它的最佳分辨率就是1/(2^12) = 1/4096，也就是說當(dāng)輸入電壓范圍為+/-10V(即Vpp=20V)時(shí)，它能分辨到的最小電壓就是20V/4096=4.88mV。理論上，分辨率越高，分割信號(hào)的點(diǎn)就越密，從而還原出來的信號(hào)也就越真實(shí)、越平滑。而絕對(duì)精度的概念是指測(cè)量值和真實(shí)值之間的最大偏差的絕對(duì)值，在待測(cè)信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，它還必須經(jīng)過數(shù)據(jù)采集板卡上的多路選擇器(MUX)，可編程增益放大器(Amplifier)等其他的器件。在這個(gè)過程中都可能引入隨機(jī)噪聲，隨著時(shí)間、溫度變化參考源所發(fā)生的漂移，以及增益前后引入的非線性誤差等，綜合之對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響就是我們所說的絕對(duì)精度。

對(duì)于客戶而言，除了ADC的位數(shù)，更重要的是要了解自己所購(gòu)買的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度指標(biāo)，因?yàn)橛袝r(shí)一塊16位數(shù)據(jù)采集卡的精度可能還不如一塊設(shè)計(jì)較好的12位數(shù)據(jù)采集卡的精度。如圖1所示的技術(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1：NI 628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度表

數(shù)字萬用表(DMM)的參數(shù)指標(biāo)又是不同的表示方法，業(yè)界通常使用位數(shù)來描述數(shù)字萬用表的分辨率，因此客戶也經(jīng)常認(rèn)為一個(gè)6½位數(shù)字萬用表必定可以精確到6½位。然而情況卻并非如此，這里的位數(shù)僅僅關(guān)系到儀器所顯示的數(shù)字的位數(shù)，并不是輸入信號(hào)的可分辨的最小變化。因此需要查驗(yàn)儀器的靈敏度和有效分辨率是否足夠的高，以保證該儀器能夠提供所需的測(cè)量分辨率。例如，一個(gè)6½位DMM能夠表示1,999,999個(gè)計(jì)數(shù)的給定范圍。但如果儀器測(cè)量的噪聲的峰峰值為20個(gè)計(jì)數(shù)，這個(gè)時(shí)候可分辨的最小變化為0.52 x 20個(gè)計(jì)數(shù)(分辨率 = 高斯噪聲的電壓或計(jì)數(shù)×0.52)。因而，在實(shí)際存在噪聲的情況下，該6½ 位DMM的真正有效位數(shù)(ENOD)為：

數(shù)字萬用表的精度通常以±(ppm of reading + ppm of range)來表示。例如，如果將DMM設(shè)置到10V的范圍用以測(cè)量一個(gè)7V的信號(hào)，并工作在23ºC ±5 ºC校準(zhǔn)后的90天內(nèi)，根據(jù)該DMM的參數(shù)表(見圖2)所示，在這種情況下DMM的精度就是±(20 ppm of reading + 6 ppm of range)=±(20 ppm of 7 V + 6 ppm of 10 V) = 200 µV。

圖2：NI DMM 4070直流電壓的精度表

除了通常所了解的DMM的位數(shù)，用戶更應(yīng)該理解有效位數(shù)的概念和懂得如何去計(jì)算DMM的測(cè)量精度，這些指標(biāo)對(duì)于保證DMM的測(cè)量效果是至關(guān)重要的。

正如上面所舉的兩個(gè)例子，通過了解自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度與分辨率的需求，可以準(zhǔn)確地評(píng)估儀器系統(tǒng)總的誤差范圍，并驗(yàn)證其是否符合測(cè)試的要求。而且，客戶應(yīng)主動(dòng)咨詢儀器廠商，以準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)參數(shù)表中各個(gè)技術(shù)規(guī)范的含義和儀器的真正性能。

影響系統(tǒng)精度的幾個(gè)重要因素

冷卻和散熱

影響設(shè)備精度的一大重要因素就是工作溫度，因此，系統(tǒng)的冷卻和散熱就顯得尤為的重要，良好的冷卻效果不僅能夠保證機(jī)箱和其中模塊的穩(wěn)定工作，更能提升相應(yīng)板卡和電源的平均故障時(shí)間間隔(MTBF)參數(shù)。一些專業(yè)的測(cè)量總線標(biāo)準(zhǔn)，如PXI總線，在冷卻和散熱方面進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)范，包括對(duì)機(jī)箱中散熱氣流方向的定義、以槽為單位進(jìn)行散熱等(見圖3)，確保系統(tǒng)在正常的工作溫度下完成測(cè)量任務(wù)。

圖3：NI PXI機(jī)箱采用的FLOWTHERM模型優(yōu)化了每個(gè)槽位的冷卻效果

(通過在機(jī)箱頂部加裝出風(fēng)口和槽位底部加裝空氣偏導(dǎo)器)

功率管理

和冷卻和散熱系統(tǒng)一樣，穩(wěn)定和充足的電源供給也是確保系統(tǒng)測(cè)量精度的必要條件，儀器廠商應(yīng)該提供在不同電壓情況下機(jī)箱電源所能提供的最大電流和相應(yīng)的功率參數(shù)，尤其是在極限溫度情況下(如

>50 °C)的功率的降額指標(biāo)(見圖4)，幫助用戶充分的了解系統(tǒng)的功率分配情況，從而避免測(cè)量的不準(zhǔn)確性甚至是儀器的異常死機(jī)。

有些專業(yè)的儀器廠商在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滿負(fù)荷的測(cè)試，評(píng)估其功率的分配和散熱的效果等，確保機(jī)箱中每一個(gè)模塊測(cè)量的準(zhǔn)確性，這些都是對(duì)客戶而言附加的保障。

圖4：NI PXI 1042機(jī)箱的可用功率參數(shù)表及>50 °C情況下的降額功率

EMI/EMC認(rèn)證

EMI/EMC認(rèn)證是對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在安全性和電磁兼容性等方面的保證，也是對(duì)各種工作環(huán)境下測(cè)量精度的保證?？蛻粼谶x購(gòu)儀器系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意相關(guān)的安全認(rèn)證信息，除了廠商能夠自我申明的CE認(rèn)證外，更重要的是看能否通過一些第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，比較常見的如北美的FCC認(rèn)證、澳大利亞的C-Tick認(rèn)證和歐盟的Demko和TUV認(rèn)證等。有些儀器廠商為了節(jié)約成本提供盡可能少的第三方認(rèn)證或者只提供CE認(rèn)證，這樣的系統(tǒng)在安全性上難免會(huì)存在一些隱患，用戶在采購(gòu)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)需要留心這一點(diǎn)。

電纜和接線方式

電纜以及接線方式作為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的必要組成部分，同樣會(huì)對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生重要的影響，尤其是對(duì)于一些小電流、小電壓的測(cè)量。因此推薦采用高質(zhì)量的電纜和專業(yè)的接線方式，最大程度的減少噪聲的干擾，提高信號(hào)的信噪比，保證測(cè)量精度的最大化。

采用高質(zhì)量的電纜

50/60 Hz的電源線噪聲可能是最常見的噪聲源，使用屏蔽的電纜或者同軸電纜可以最有效的去除這種噪聲的干擾?？赡苡械目蛻魰?huì)指望用后期的濾波來去除這種噪聲，然而在低電流的測(cè)量中，50/60 Hz的電源線噪聲很容易使電流表靈敏的前置放大電路達(dá)到飽和，這樣一來，任何濾波都很難恢復(fù)之前的測(cè)量精度。因此，必須使用屏蔽的電纜。

漏電流是由于絕緣材料材質(zhì)發(fā)生變化后(如污垢等)對(duì)地產(chǎn)生的微小電流，對(duì)于一些低電壓的測(cè)量應(yīng)用，推薦采用低泄漏和低熱電動(dòng)勢(shì)(low-leakage and low-thermal EMF)的電纜，因?yàn)檫@樣的電纜內(nèi)外層都采用特富龍面料達(dá)到完全的絕緣，確保其屏蔽性和絕緣性，從而避免了漏電流的產(chǎn)生。

選用專業(yè)的接線方式

當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)小于50個(gè)測(cè)試點(diǎn)或者只有少量?jī)x器時(shí)，可以很容易的通過一些接線盒或螺絲端子將儀器和待測(cè)設(shè)備相連。但對(duì)于成百上千個(gè)測(cè)試點(diǎn)或者多個(gè)儀器、甚至要求可重復(fù)配置或需要頻繁通斷的大型系統(tǒng)而言，往往需要采用專業(yè)的大規(guī)?；ミB系統(tǒng)。大規(guī)?；ミB系統(tǒng)是一種機(jī)械裝置，用以方便大量待測(cè)設(shè)備輸入輸出信號(hào)的連接。該系統(tǒng)通常附帶一些機(jī)械護(hù)欄，通過這樣的護(hù)欄所有的信號(hào)可以快速地從儀器(通常在一個(gè)機(jī)柜中)連接到待測(cè)設(shè)備。大規(guī)模互連系統(tǒng)也會(huì)對(duì)經(jīng)歷反復(fù)連接/斷開的儀器前端的線纜提供保護(hù)，避免其受到磨損和破壞。

重視校準(zhǔn)服務(wù)

之前所討論的一些因素都是在構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)需要考慮的，而在儀器使用的過程中，隨著時(shí)間的推移，儀器中的電子器件的精度同樣會(huì)發(fā)生偏差。如圖5所示，持續(xù)工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響都會(huì)加劇這樣的偏差，給測(cè)量帶來很大的不確定性。要想解決這個(gè)問題，就必須定期校準(zhǔn)儀器。

圖5：隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，測(cè)量誤差會(huì)逐漸的變大

校準(zhǔn)分外部校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)兩種。外部校準(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)。當(dāng)然，如果有相應(yīng)的校準(zhǔn)條件，也可以自己實(shí)現(xiàn)外部校準(zhǔn)。無論采取何種方式，重要的是要注意廠商所提供的儀器的外部校準(zhǔn)時(shí)間間隔。例如一家廠商的函數(shù)發(fā)生器的外部校準(zhǔn)間隔是一年;而另一家廠商具備同等或更好精度規(guī)范的函數(shù)發(fā)生器的外部校準(zhǔn)間隔卻是兩年。為了減少自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)成本，客戶就應(yīng)該選擇第二家廠商的儀器。因此，客戶在選擇儀器時(shí)，也需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)時(shí)間間隔的參數(shù)。

圖6：在選擇儀器時(shí)，需要考慮廠商所提供的外部校準(zhǔn)的周期

除了外部校準(zhǔn)，一些廠商的儀器還包含了非常實(shí)用的自校準(zhǔn)的功能。具備自校準(zhǔn)功能的儀器本身含有精確的電壓參考源等硬件資源，這樣就可以隨時(shí)快速的校準(zhǔn)該儀器，減少因環(huán)境等因素造成的測(cè)量誤差，而不必將其搬離測(cè)試系統(tǒng)或者與外部校準(zhǔn)設(shè)備相連。當(dāng)然，自校準(zhǔn)并不能完全替代外部校準(zhǔn)，它只是提供了一種在外部校準(zhǔn)周期之間改善儀器測(cè)量精度的方法。

結(jié)論

測(cè)量精度，作為一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的綜合因素體，真實(shí)反映了儀器系統(tǒng)所能還原信號(hào)值的能力，也成為評(píng)估自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。本文所討論的關(guān)于如何解讀儀器的技術(shù)參數(shù)，影響測(cè)量精度的幾個(gè)重要因素，和最后的校準(zhǔn)服務(wù)等，都是測(cè)試工程師在選型時(shí)最容易碰到的問題，有時(shí)候也是最容易忽視的因素。希望借此能夠引起廣大工程師對(duì)測(cè)量精度的重視，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的選

型提供一些有益的幫助。