測量精度的五大要點

中心議題：

測量精度的五大要點

對于一個數據采集系統(tǒng)而言，測量精度是評估其性能的一個重要參數，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：它與模數轉換器的分辨率有什么區(qū)別?哪些因素會產生系統(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位分辨率的數據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采樣后可以被分成的最小部分，例如帶12位模數轉換器(ADC)的數采卡，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，信號在整個數據采集系統(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，更重要的是需要了解自己所購買的數據采集板卡的絕對精度指標，有時一塊16位的數據采集卡的精度可能還不如一塊設計良好的12位數據采集卡的精度。圖2所示的NI628X系列技術參數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2NI628x數據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據采集卡，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，那么在信號進入數據采集卡之前就已經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過專門屏蔽設計的(圖3上面部分)，如今很多數據采集廠商(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成為了現實。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等無線協(xié)議的數據采集產品已經問世，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，由于電勢差的產生，那么就會產生電流，這也就是我們所說的“接地環(huán)路”現象。

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，而數據采集設備地與電機箱地之間存在電勢差，因此產生了電流。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據采集設備與傳感器地間產生電流。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，分隔數據采集設備地的同時，保持數據值的傳輸，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

作為一個完整的數據采集系統(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NILabVIEW圖形化開發(fā)平臺實現軟件濾波的實例，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(FiteredSignal)。

圖6使用LabVIEW實現軟件濾波

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(例如聯合時頻分析、小波分析等)就可以解決。例如，利用聯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，軟件在數據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據。

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，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。

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。