數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的“即測(cè)即用”是高精度測(cè)量的新技術(shù)

1、前言

多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ) 設(shè)備結(jié)合了模擬前端，靈活的定時(shí)和觸發(fā)ASlC以及總線接口ASlC，從而改善和優(yōu)化了最新的現(xiàn)有商業(yè)化數(shù)字技術(shù)。利用這些DAQ設(shè)備再結(jié)合信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品，可以創(chuàng)建確保精度的DAQ系統(tǒng)。這就是在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中應(yīng)用了“即測(cè)即用”高精度測(cè)量的新技術(shù)的結(jié)果。也稱之為“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready DAQ)設(shè)備。由于“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready DAQ)為獲得絕對(duì)精度而進(jìn)行了優(yōu)化，具有了如下特性：

卓越的模擬電路設(shè)計(jì)：具有低于20μV的系統(tǒng)噪聲和其它硬件規(guī)格，無(wú)論是小信號(hào)還是大信號(hào)，都可以進(jìn)行精確測(cè)量；

全面的信號(hào)調(diào)理選擇：具有隔離、濾波、激勵(lì)和電流測(cè)量模塊，可將其連接到任意類型的傳感器上；

完整的校準(zhǔn)選擇：一個(gè)板載高精度信號(hào)源可以通過簡(jiǎn)單的軟件調(diào)用對(duì)板卡重新進(jìn)行校準(zhǔn)，以減少溫度變化和時(shí)間積累所引起的精度誤差。

為此本文將對(duì)此問題迸行討論與分析，因?yàn)樗P(guān)系到數(shù)據(jù)采集糸統(tǒng)的根本。

值此首先需要說(shuō)明的是何謂多功能DAQ數(shù)據(jù)采集？

多功能DAQ-多功能DAQ指的是數(shù)據(jù)采集硬件，它能在單個(gè)設(shè)備上提供多種功能：模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和定時(shí)I/O。

而數(shù)據(jù)采集的目的是為了測(cè)量如光、溫度、壓力或聲音這樣的物理現(xiàn)象?；赑C的數(shù)據(jù)采集結(jié)合了硬件，軟件和計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量、分析測(cè)量數(shù)據(jù)。

2、即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備精度特征關(guān)鍵-高質(zhì)量測(cè)量性能

2.1“量化誤差”理念的引入

各種各樣的傳感器，最終都將物理參量轉(zhuǎn)換為可以通過電線傳送的電信號(hào)。當(dāng)將這些電線連接到數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡、數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)、或任何其它類型的測(cè)量硬件上的時(shí)候，肯定希望讀取到的就是線上傳輸過來(lái)的精確的數(shù)值。可同也需要說(shuō)明，沒有一種測(cè)試硬件是完美的。因此必然要考慮能夠接受的最大誤差值是多少呢?

當(dāng)今許多設(shè)計(jì)人員在評(píng)估DAQ產(chǎn)品的優(yōu)劣時(shí)，往往只考慮它的精度位數(shù)。例如，認(rèn)為使用16位精度的DAQ設(shè)備，用戶可得到個(gè)可能的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這65536個(gè)值均勻地分布在一個(gè)電壓范圍內(nèi)，而任何一個(gè)采樣得到的信號(hào)都會(huì)被圓整到這些值的其中一個(gè)。在此圓整過程中所產(chǎn)生的誤差就叫“量化誤差”。DAQ設(shè)備精度上的量化誤差僅僅是造成測(cè)試結(jié)果誤差原因中的極小部分。由于硬件設(shè)計(jì)的不同，其它類型的誤差將呈現(xiàn)極其多種的形式?！凹礈y(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以最大程度上減少各種類型的誤差可能。這些都是可能導(dǎo)致誤差的原因，在選購(gòu)任何一種硬件設(shè)備，例如DAQ設(shè)備時(shí)，都需認(rèn)真考慮。

2.2即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備能將溫度漂移大大縮小

DAQ設(shè)備的精確度會(huì)隨著它溫度的改變而發(fā)生變化?！凹礈y(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備能將因溫度變化引起的誤差縮小到最小范圍，這是因它在設(shè)計(jì)上有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：高品質(zhì)的元部件：能在很大的溫度范圍內(nèi)保持?jǐn)?shù)值的穩(wěn)定；補(bǔ)償元件：可以為其它部件產(chǎn)生逆向誤差，從而有效地中和誤差；板載溫度傳感器：可隨時(shí)供編程或操作人員用來(lái)評(píng)估設(shè)備當(dāng)前溫度。

舉例說(shuō)明

由于設(shè)計(jì)中的諸多考慮，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，16位精度的“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備所讀取的數(shù)據(jù)變化僅為0.0006%以下。這種抗溫度變化的性能，確保了在溫度發(fā)生漂移時(shí)的讀數(shù)準(zhǔn)確性。

當(dāng)環(huán)境溫度變化15℃時(shí)，您的DAQ設(shè)備的精度可能發(fā)生顯著的變化。如NI PCI-6052E漂移18μV，而Analog Device公司AD291E級(jí)精度參考電壓在±200mV范圍內(nèi)漂移24μV?？闯鰧D291E級(jí)精密參考電壓與發(fā)生溫度漂移的PCI-6052E上的溫度漂移所進(jìn)行比較時(shí)，DAQ設(shè)備也表現(xiàn)出25％的精度改善。

2.3以很小穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到一定的精確

穩(wěn)定時(shí)間指的是DAQ設(shè)備為達(dá)到一定的精確度并保持這一特定的精確度所需的一小段時(shí)間。無(wú)論要求怎樣的增益和采樣率，“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備都可以確保根據(jù)要求穩(wěn)定下來(lái)。如圖1顯示了12位E系列DAQ卡最差的穩(wěn)定時(shí)間范圍。在電壓范圍為10V時(shí)，此設(shè)備的量化誤差為1.22mV。需要注意，量化誤差只是整體測(cè)量誤差的一小部分。

舉例說(shuō)明

因多路傳輸DAQ設(shè)備上的儀器放大器必須能夠在較高的增益和采樣速率下從具有不同電壓水平的多個(gè)通道獲取精確的讀數(shù)。由于這些要求，大部分市售儀器放大器均具有DAQ設(shè)備所需要的精度。如NI PCI-6052E經(jīng)過4μS穩(wěn)定在0.305mV的范圍內(nèi)，而采用線性技術(shù)LT1102高速、精確儀器放大器在同樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)卻穩(wěn)定在2.5mV的范圍內(nèi)。即使在把一個(gè)精密儀器放大器與PCI-6052E上的所有元件包括儀器放大器在內(nèi)的穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)，DAQ設(shè)備也表現(xiàn)出87.7%的精度改善。

2.4“抖動(dòng)”的硬件技術(shù)使偏大和偏小的系統(tǒng)噪聲接近

噪聲諸如熱或電等因素的干擾都會(huì)引起測(cè)量值偏離實(shí)際的被測(cè)信號(hào)，其偏移值被稱為噪聲層。由于“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready 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，這一切優(yōu)秀品質(zhì)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“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(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)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)，得出的結(jié)果會(huì)怎樣，自然是數(shù)據(jù)偏高”?！凹礈y(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用一種叫做“抖動(dòng)”的硬件技術(shù)，解決了此類問題?！岸秳?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，也不需要任何專業(yè)知識(shí)。

2.5能最小化了非線性誤差所帶來(lái)的影響

“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用最優(yōu)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：即線性和非線性誤差。線性誤差包括增益誤差和偏移誤差。這兩種誤差可相對(duì)方便的用一個(gè)簡(jiǎn)單的線性公式得以糾正?！凹礈y(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(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，將此類誤差量小化則在設(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(1NL)。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。

除了熟知的增益和偏移等一階誤差之外，INLDNL等高階線性誤差也可對(duì)精度造成極大的影響，即使公認(rèn)DAQ設(shè)備的精度由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度所決定，但根據(jù)將模擬教宇轉(zhuǎn)換器集成到電路板設(shè)計(jì)中所采用方式的不同，還可能出現(xiàn)許多誤差源。

2.6 ”即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備的校準(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，讀數(shù)就可能變?yōu)?.01V了。為補(bǔ)償此類漂移，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)“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，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：

*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)；
*若超出允許的范圍，必須做一定的調(diào)整；調(diào)整之后，再次檢查DAQ設(shè)備的運(yùn)作是否符合規(guī)定；
*發(fā)布校準(zhǔn)證書，說(shuō)明該設(shè)備已經(jīng)與可溯源標(biāo)準(zhǔn)比較，可在規(guī)定范圍內(nèi)操作。

“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(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。所有的“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備出廠時(shí)都附有可溯源校準(zhǔn)證書。

在使時(shí)間漂移量降至最低的過程中，也需要使用同樣精確的參考電壓使您的DAQ設(shè)備隨著環(huán)境溫度變化保持穩(wěn)定。當(dāng)范圍為±200mV時(shí)，PCI-6052E在一年的時(shí)間里漂移了88.8μV，而Analog Devices公司的AD291精確電壓參考在同樣的時(shí)間內(nèi)漂移達(dá)740μV。即使當(dāng)將一個(gè)精密電壓參考與一個(gè)發(fā)生時(shí)間漂移的PCI-6052E上的所有部件相比較時(shí)，設(shè)備也表現(xiàn)出88%的精度改善。

3、關(guān)于信號(hào)調(diào)理精度特征

3.1何謂信號(hào)調(diào)理？

信號(hào)調(diào)理是完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。它能通過放大、隔離、濾波或多路復(fù)用來(lái)提高系統(tǒng)性能和可靠性。對(duì)于某些傳感器，如RTD，必須要有作為激勵(lì)源的信號(hào)調(diào)理。

信號(hào)調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。許多傳感器都要求使用專門信號(hào)調(diào)理技術(shù)，而沒有哪種DAQ設(shè)備能為所有的傳感器提供各種類型的信號(hào)調(diào)理功能。比如說(shuō)，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號(hào)，它還需要進(jìn)一步的放大、過濾、以及線性化等處理。

3.2多通道系統(tǒng)(SCXl)與緊湊信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)(SCC)

SCC當(dāng)今不少著名公司已經(jīng)開發(fā)出能適合您獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)，包括支持智能TEDS傳感器，靈活的信號(hào)連接選項(xiàng)，模塊化和軟件配置功能。這些可選的設(shè)備包括用于便攜式應(yīng)用的緊湊信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)(SCC)以及用于高通道數(shù)大型應(yīng)用的堅(jiān)固的多通道系統(tǒng)(SCXl)。

其SCXI是多用途，高性能的信號(hào)調(diào)理平臺(tái)。無(wú)論是用于包含插入式儀器還是DAQ設(shè)備的信號(hào)調(diào)理前端系統(tǒng)，或者基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．SCXI是專為要求大中規(guī)模、多通道數(shù)，堅(jiān)固封裝以及高性能的信號(hào)調(diào)理和通路開關(guān)的切換過程中，提供廣泛選擇范圍的應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的。SCXI包含了完整的模塊，可以對(duì)諸如熱電偶、FITD、應(yīng)變儀、負(fù)載單元、壓力傳感器、加速度計(jì)。LVDT、高壓輸入、電流輸入、模擬輸出、數(shù)字信號(hào)等廣泛的信號(hào)類型進(jìn)行放大、濾波、衰減、隔離和多路復(fù)用。SCXI也能提供通用功能和多路復(fù)用器外巨陣開關(guān)解決方案。

SCXI(如圖4所示)用于解決中高通道數(shù)信號(hào)調(diào)理應(yīng)用問題。可以將各種信號(hào)調(diào)理模塊混合匹

配使用，并把他們安裝在一個(gè)SCXI機(jī)箱里面。只要將這一機(jī)箱與“即測(cè)即用”數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，所有的模塊即可被自動(dòng)植測(cè)井加入到DAQ配置軟件中。

而SCC，對(duì)于便攜式低通道數(shù)應(yīng)用-可達(dá)到16個(gè)模擬輸入通道和8個(gè)數(shù)字I/O通路-SCC對(duì)每個(gè)通道提供模塊化．靈活的信號(hào)調(diào)理。SCC所提供的信號(hào)調(diào)理用于廣泛的輸入．包括熱電偶、FITD、加速計(jì)、應(yīng)變儀、需要隔離的模擬輸入、高壓(到100V)、電流(0到20mA)和光隔離數(shù)字I/O，SCC也有低通濾波和面包板模塊可選。這些模塊可插入小型的SC-2346屏蔽盒(能包含20個(gè)模塊)或可配置傳感器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)連接器的SC-2360屏蔽盒(能包含10個(gè)模塊)，并通過電纜直接和M系列，E系列或基礎(chǔ)級(jí)的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連。

SCC是適用于低通道應(yīng)用便攜式信號(hào)調(diào)理平臺(tái)。不象SCXl一個(gè)模塊同時(shí)處理一組信號(hào)，SCC平臺(tái)為每一個(gè)信號(hào)提供單獨(dú)的模塊。SCC平臺(tái)還提供了切換開關(guān)、LED，以及BNC和LEMO等常用的連接端于。無(wú)論是SCXI，還是SCC平臺(tái)都有用于測(cè)量、激勵(lì)、隔離和過濾的模塊。圖5是SCC系統(tǒng)的展示圖。

3.3、傳感器即插即用技術(shù)

傳感器即插即用技術(shù)減少了傳感器配置的時(shí)間和難度。IEEE 1451.4定義了具備模擬信號(hào)接口的傳感器特性的自我描述機(jī)制，該機(jī)制通過傳感器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)文件來(lái)描述傳感器的自身特性。TEDS文件被保存在傳感器上的嵌入式存儲(chǔ)器芯片中或者可從數(shù)據(jù)庫(kù)中下載，它為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了傳感器必要的配置、換算和校準(zhǔn)信息，減少了配置時(shí)間．提高了測(cè)量精度。圖6為基于硬件支持智能TEDS傳感器示意圖。

即插即用傳感器傳感器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)包括：傳感器制造商，序列號(hào)，測(cè)量范圍，校準(zhǔn)信息及用戶信息(特定區(qū)域)。

3.4 SCXI與SCC信號(hào)調(diào)理精度特色

一個(gè)高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合所需的信號(hào)調(diào)理技術(shù)，從而避免降低您所定制的解決方案的測(cè)量精度，功能和靈活性。通過對(duì)SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行配置，它可以接收廣泛的傳感器和信號(hào)類型，并且能為了今后的應(yīng)用而輕松地再次配置或擴(kuò)展。

針對(duì)低通道數(shù)和便攜式測(cè)量系統(tǒng)SCC能夠在一個(gè)緊湊、小巧的盒子中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理．特別適合16個(gè)或少于16個(gè)模擬輸入通道的應(yīng)用。