數(shù)據(jù)采集硬件：如何避免缺陷與誤差
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
在日常生活中，我們對(duì)顯示在各種屏幕或計(jì)算機(jī)上的測(cè)量數(shù)據(jù)向來(lái)是深信不疑的。例如：汽車(chē)儀表盤(pán)上的速度讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)室里的溫度測(cè)量計(jì)，或示波器屏上的顯示等等。而實(shí)際上，我們依賴的這些測(cè)量結(jié)果并不完美。一輛汽車(chē)的速度計(jì)經(jīng)常會(huì)有一些公里/小時(shí)的誤差，而溫度測(cè)量也常有幾度的范圍變化。通常來(lái)說(shuō)，我們開(kāi)車(chē)的速度并不是特別快，因此由速度計(jì)造成的誤差基本可以忽略不計(jì)。但當(dāng)我們需要建立一個(gè)專(zhuān)業(yè)級(jí)的測(cè)量和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，對(duì)最大誤差的掌握就變得至關(guān)重要了。
任何數(shù)字式測(cè)量都必須面臨的限制因素是：將有限次數(shù)的測(cè)量結(jié)果當(dāng)做真實(shí)結(jié)果顯示出來(lái)。測(cè)量次數(shù)的最大值是由測(cè)量結(jié)果要求的精度位數(shù)決定的。如：一個(gè)8位的 二進(jìn)制數(shù)應(yīng)該進(jìn)行28 = 256次測(cè)量。如果一個(gè)速度計(jì)使用8位精度的數(shù)字來(lái)表達(dá)0 到256km/h的范圍，那么結(jié)果應(yīng)該只以1km/h的增量顯示出來(lái)。因此，司機(jī)不能確認(rèn)任何小于.5km/h的誤差。這種類(lèi)型的誤差通常被稱(chēng)為量化誤 差。如果速度范圍減小一半，即0 到 128km/h，則256個(gè)可能結(jié)果被壓縮到一個(gè)更小的范圍中，那么量化誤差值也被減小了一半。
有一個(gè)危險(xiǎn)的錯(cuò)誤就是：假設(shè)量化誤差是誤差的唯一來(lái)源。這也是測(cè)量中一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。幾乎所有類(lèi)型測(cè)量硬件的特性表或產(chǎn)品目錄都會(huì)只著重介紹硬件的幾個(gè) 特性：分辨率，量程，采樣率和帶寬。分辨率只代表了用來(lái)表達(dá)信號(hào)真實(shí)值的二進(jìn)制數(shù)長(zhǎng)度。分辨率特性通常在8～24位間變化，而它只對(duì)測(cè)量的量化誤差產(chǎn)生影 響。多功能數(shù)據(jù)采集板卡(圖 1 和 圖 2) 通常具有12位和16位分辨率。在整個(gè)測(cè)量誤差中，量化誤差只占其中的一小部分而已。其他一些對(duì)測(cè)量信號(hào)的不確定性因素包括非線性、噪音誤差等。
對(duì)幾個(gè)主要誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單相加所得的結(jié)果，就可讓你對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的總體誤差有足夠的了解。主要誤差源包括量化誤差，非線性誤差，線性誤差和噪音層誤差等。文 章上面討論的量化誤差是用數(shù)據(jù)采集卡總量程的一半除以以二進(jìn)制數(shù)來(lái)顯示的測(cè)量結(jié)果的可能狀態(tài)數(shù)，結(jié)果等于測(cè)量預(yù)估值之間間隔的一半。在實(shí)際硬件中，不同測(cè) 量預(yù)估值之間的間隔是不一樣的。這就導(dǎo)致了非線性誤差。非線性誤差的校準(zhǔn)十分困難，因?yàn)檫@需要對(duì)高精度信號(hào)源進(jìn)行多次測(cè)量。相對(duì)來(lái)說(shuō)，線性誤差的校準(zhǔn)就很 容易。線性誤差包括增益和漂移誤差，兩者都可以輕松地通過(guò)y=mx+b公式得到糾正。通常一個(gè)高精度（或已知）的信號(hào)源就足以校正線性誤差了。噪音層代表 了真實(shí)信號(hào)的各種隨機(jī)偏移總和。來(lái)自電源切換、熱度和其他板上源極的噪音，通常都被統(tǒng)一計(jì)算到噪音層特性中，盡管技術(shù)上而言，電源產(chǎn)生的應(yīng)該是非隨機(jī)測(cè)量 誤差。
通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算所有測(cè)量誤差組成部分和采用正確的信號(hào)連接與屏蔽方式，使用者基本上在安全的前提下控制測(cè)量最大誤差。大多數(shù)數(shù)據(jù) 采集板卡的手冊(cè)會(huì)詳細(xì)說(shuō)明這些參數(shù)，盡管所用的術(shù)語(yǔ)和單位會(huì)有所不同。最佳評(píng)估數(shù)據(jù)采集板卡精度的方式是：首先列出最大誤差值，以電壓（伏特）做單位，這 在測(cè)量中是允許的。然后挑選幾張能夠得到足夠軟件和技術(shù)支持的數(shù)據(jù)采集卡，快速建立起一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。最后，通過(guò)查閱手冊(cè)來(lái)確定最符合精度要求的板卡。根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的一般規(guī)律來(lái)說(shuō)，16位板卡的精度是12位板卡的10倍。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)采集卡以各種總線的封裝形式出現(xiàn)在市場(chǎng)上，包括PXI, USB和PCI。而且它們的性能也各不相同。然而，一旦精度特性成為選擇最佳數(shù)采板卡的決定性因素，那么其他方面的特征都變得微不足道了。
National Instruments的Measurement-Ready DAQ數(shù)據(jù)采集卡
由于NI 的Measurement-Ready 數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備具有高性能元部件，加上其設(shè)計(jì)上的正確屏蔽、接地因素的周密考慮使得設(shè)備的噪聲最小化。圖2展示的是一般的DAQ設(shè)備與 Measurement-Ready DAQ設(shè)備在讀取7.5VDC高穩(wěn)定信號(hào)時(shí)的差異。
噪聲層越低越好，但這只適用在由于噪聲導(dǎo)致 的誤差在理想的數(shù)據(jù)上下等同的情況之下。當(dāng)我們搜集到一些數(shù)據(jù)并想算出其平均值時(shí)，這些數(shù)據(jù)卻普遍偏高，這時(shí)，我們得出的結(jié)果會(huì)怎樣？自然是數(shù)據(jù)偏高。 Measurement-Ready DAQ設(shè)備采用一種叫做“抖動(dòng)”的硬件技術(shù)，解決了此類(lèi)問(wèn)題。“抖動(dòng)”使得對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響的噪聲偏大和 偏小的可能性接近。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，此技術(shù)增強(qiáng)了該檢測(cè)設(shè)備的精確性。抖動(dòng)技術(shù)的使用不需使用者做任何工作，也不需要任何專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 Measurement-Ready DAQ設(shè)備采用優(yōu)化的組件，這使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中最常出現(xiàn)的誤差最少化了。ADC的最常見(jiàn)誤差主要分兩類(lèi)：線性和非線性誤差。線性誤差 包括增益誤差和偏移誤差。這兩種誤差可相對(duì)方便地用一個(gè)簡(jiǎn)單的線性公式糾正。Measurement-Ready DAQ設(shè)備的自校準(zhǔn)功能可以自動(dòng)地校準(zhǔn)線性誤差。然而，非線性誤差由于其難以在軟件中糾正，將此類(lèi)誤差最小化則在設(shè)備的設(shè)計(jì)中顯得猶為重要。非線性誤差包 括微分非線性(DNL) 和積分非線性 (INL)。如圖3所示，微分非線性指的是DAQ設(shè)備在檢測(cè)不同電壓高低時(shí)的差異。積分非線性是微分非線性誤差的總和。高質(zhì)量的組件與優(yōu)越的板卡設(shè)計(jì)相結(jié) 合，最小化了非線性誤差帶來(lái)的影響。
校準(zhǔn)
電子元件會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境的變化發(fā)生漂移。隨著時(shí)間的流逝和環(huán)境的改變，電子器件的性能會(huì)受到影響。例如，某DAQ系統(tǒng)在25℃時(shí)讀數(shù)為2.00V，而一年之后，即使在同樣溫度下，度數(shù)就可能變?yōu)?.01V了。為補(bǔ)償此類(lèi)漂移，需要對(duì)DAQ設(shè)備進(jìn)行定期的調(diào)整或校準(zhǔn)。
當(dāng)對(duì)NI Measurement-Ready DAQ設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，我們將測(cè)試結(jié)果與已知的標(biāo)準(zhǔn)值作比較。若測(cè)量結(jié)果不在規(guī)格之內(nèi)，則該設(shè)備就必須進(jìn)行一定的調(diào)整。校準(zhǔn)有如下步驟：
1. 檢查DAQ設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)作是否在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)；
2. 若超出允許的范圍，必須做一定的調(diào)整；
3. 調(diào)整之后，再次檢查DAQ 設(shè)備的運(yùn)作是否符合規(guī)定；
4. 發(fā)布校準(zhǔn)證書(shū)，說(shuō)明該設(shè)備經(jīng)與可溯源標(biāo)準(zhǔn)比較，可在規(guī)定范圍內(nèi)操作。
NI Measurement-Ready DAQ設(shè)備具有高精度的板上電壓源，使得間歇性的自校準(zhǔn)成為可能。自校準(zhǔn)過(guò)程只需要軟件的一個(gè)命令即可，無(wú)須其他信號(hào)連接，也無(wú)須多余操作。
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評(píng)論