數(shù)據(jù)采集硬件：如何避免缺陷與誤差
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
在日常生活中，我們對顯示在各種屏幕或計算機上的測量數(shù)據(jù)向來是深信不疑的。例如：汽車儀表盤上的速度讀數(shù)，實驗室里的溫度測量計，或示波器屏上的顯示等等。而實際上，我們依賴的這些測量結(jié)果并不完美。一輛汽車的速度計經(jīng)常會有一些公里/小時的誤差，而溫度測量也常有幾度的范圍變化。通常來說，我們開車的速度并不是特別快，因此由速度計造成的誤差基本可以忽略不計。但當我們需要建立一個專業(yè)級的測量和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)時，對最大誤差的掌握就變得至關重要了。
任何數(shù)字式測量都必須面臨的限制因素是：將有限次數(shù)的測量結(jié)果當做真實結(jié)果顯示出來。測量次數(shù)的最大值是由測量結(jié)果要求的精度位數(shù)決定的。如：一個8位的 二進制數(shù)應該進行28 = 256次測量。如果一個速度計使用8位精度的數(shù)字來表達0 到256km/h的范圍，那么結(jié)果應該只以1km/h的增量顯示出來。因此，司機不能確認任何小于.5km/h的誤差。這種類型的誤差通常被稱為量化誤 差。如果速度范圍減小一半，即0 到 128km/h，則256個可能結(jié)果被壓縮到一個更小的范圍中，那么量化誤差值也被減小了一半。
有一個危險的錯誤就是：假設量化誤差是誤差的唯一來源。這也是測量中一個常見的錯誤。幾乎所有類型測量硬件的特性表或產(chǎn)品目錄都會只著重介紹硬件的幾個 特性：分辨率，量程，采樣率和帶寬。分辨率只代表了用來表達信號真實值的二進制數(shù)長度。分辨率特性通常在8～24位間變化，而它只對測量的量化誤差產(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。在整個測量誤差中，量化誤差只占其中的一小部分而已。其他一些對測量信號的不確定性因素包括非線性、噪音誤差等。
對幾個主要誤差進行簡單相加所得的結(jié)果，就可讓你對測量系統(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制數(shù)來顯示的測量結(jié)果的可能狀態(tài)數(shù)，結(jié)果等于測量預估值之間間隔的一半。在實際硬件中，不同測 量預估值之間的間隔是不一樣的。這就導致了非線性誤差。非線性誤差的校準十分困難，因為這需要對高精度信號源進行多次測量。相對來說，線性誤差的校準就很 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y=mx+b公式得到糾正。通常一個高精度（或已知）的信號源就足以校正線性誤差了。噪音層代表 了真實信號的各種隨機偏移總和。來自電源切換、熱度和其他板上源極的噪音，通常都被統(tǒng)一計算到噪音層特性中，盡管技術(shù)上而言，電源產(chǎn)生的應該是非隨機測量 誤差。
通過簡單計算所有測量誤差組成部分和采用正確的信號連接與屏蔽方式，使用者基本上在安全的前提下控制測量最大誤差。大多數(shù)數(shù)據(jù) 采集板卡的手冊會詳細說明這些參數(shù)，盡管所用的術(shù)語和單位會有所不同。最佳評估數(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，快速建立起一個測量系統(tǒng)。最后，通過查閱手冊來確定最符合精度要求的板卡。根據(jù) 經(jīng)驗總結(jié)出的一般規(guī)律來說，16位板卡的精度是12位板卡的10倍?，F(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）設備具有高性能元部件，加上其設計上的正確屏蔽、接地因素的周密考慮使得設備的噪聲最小化。圖2展示的是一般的DAQ設備與 Measurement-Ready DAQ設備在讀取7.5VDC高穩(wěn)定信號時的差異。
噪聲層越低越好，但這只適用在由于噪聲導致 的誤差在理想的數(shù)據(jù)上下等同的情況之下。當我們搜集到一些數(shù)據(jù)并想算出其平均值時，這些數(shù)據(jù)卻普遍偏高，這時，我們得出的結(jié)果會怎樣？自然是數(shù)據(jù)偏高。 Measurement-Ready DAQ設備采用一種叫做“抖動”的硬件技術(shù)，解決了此類問題?！岸秳印笔沟脤π盘柈a(chǎn)生影響的噪聲偏大和 偏小的可能性接近。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，此技術(shù)增強了該檢測設備的精確性。抖動技術(shù)的使用不需使用者做任何工作，也不需要任何專業(yè)知識。 Measurement-Ready DAQ設備采用優(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的最常見誤差主要分兩類：線性和非線性誤差。線性誤差 包括增益誤差和偏移誤差。這兩種誤差可相對方便地用一個簡單的線性公式糾正。Measurement-Ready DAQ設備的自校準功能可以自動地校準線性誤差。然而，非線性誤差由于其難以在軟件中糾正，將此類誤差最小化則在設備的設計中顯得猶為重要。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設備在檢測不同電壓高低時的差異。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)越的板卡設計相結(jié) 合，最小化了非線性誤差帶來的影響。
校準
電子元件會隨著時間和環(huán)境的變化發(fā)生漂移。隨著時間的流逝和環(huán)境的改變，電子器件的性能會受到影響。例如，某DAQ系統(tǒng)在25℃時讀數(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。為補償此類漂移，需要對DAQ設備進行定期的調(diào)整或校準。
當對NI Measurement-Ready DAQ設備進行校準時，我們將測試結(jié)果與已知的標準值作比較。若測量結(jié)果不在規(guī)格之內(nèi)，則該設備就必須進行一定的調(diào)整。校準有如下步驟：
1. 檢查DAQ設備的當前運作是否在規(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 設備的運作是否符合規(guī)定；
4. 發(fā)布校準證書，說明該設備經(jīng)與可溯源標準比較，可在規(guī)定范圍內(nèi)操作。
NI Measurement-Ready DAQ設備具有高精度的板上電壓源，使得間歇性的自校準成為可能。自校準過程只需要軟件的一個命令即可，無須其他信號連接，也無須多余操作。
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