優(yōu)化自動(dòng)化測試系統的測量精度

引言

在測試測量應用中，工程師們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到的一個(gè)術(shù)語(yǔ)就是測量精度。對于自動(dòng)化測試系統而言，測量精度不僅是評估其性能的一個(gè)至關(guān)重要的參數，也是科學(xué)家們不斷努力希望提高的一個(gè)指標。雖然它的重要性得到一致的認可，然而，很多人對它的真正定義卻不甚清楚，通常會(huì )將測量的精度(Accuracy)和模數轉換器的分辨率(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 )影響到系統的測量精度呢?對于客戶(hù)而言，又該如何通過(guò)儀器的技術(shù)參數文檔來(lái)解讀正確的精度參數呢?

大家知道，所有的測量都是對真實(shí)值的大致估計，也就是說(shuō)測量的數值總是和真實(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(shuō)的測量精度，它反映了測量?jì)x器系統所能真實(shí)還原測量信號值的能力。測量誤差的來(lái)源是多方面的，對于測量設備而言，除了ADC本身的各種誤差因素外，前端的信號調理和整個(gè)板卡的布局都會(huì )影響到總的測量精度;此外，測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，在評測一個(gè)儀器系統的測量精度時(shí)，除了ADC的位數，還應該考慮設備的絕對精度值(多種誤差因素的綜合值)，以及系統工作在真

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)參數入手，進(jìn)一步分析影響測量精度的幾個(gè)重要因素，最后以能夠改善測量精度的校準服務(wù)結尾，幫助讀者正確地去評估和最大程度地去優(yōu)化這一重要的指標。

正確解讀儀器的技術(shù)參數

正確解讀儀器的技術(shù)參數是理解測量精度概念的最基本要素，由于不同儀器廠(chǎng)商在定義測量精度時(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)所涉及的所有參數是非常重要的。

先拿最常見(jiàn)的數據采集卡而言，許多客戶(hù)會(huì )認為市面上12位分辨率的數據采集卡的精度都一樣。這樣的說(shuō)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經(jīng)采樣后可以被分成的最小部分，例如帶12位模數轉換器(ADC)的數據采集卡，它的最佳分辨率就是1/(2^12) = 1/4096，也就是說(shuō)當輸入電壓范圍為+/-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，分割信號的點(diǎn)就越密，從而還原出來(lái)的信號也就越真實(shí)、越平滑。而絕對精度的概念是指測量值和真實(shí)值之間的最大偏差的絕對值，在待測信號進(jìn)入模數轉換器之前，它還必須經(jīng)過(guò)數據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(guò)程中都可能引入隨機噪聲，隨著(zhù)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(xiàn)性誤差等，綜合之對測量結果產(chǎn)生的影響就是我們所說(shuō)的絕對精度。

對于客戶(hù)而言，除了ADC的位數，更重要的是要了解自己所購買(mǎi)的數據采集板卡的絕對精度指標，因為有時(shí)一塊16位數據采集卡的精度可能還不如一塊設計較好的12位數據采集卡的精度。如圖1所示的技術(shù)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(hù)以完整的信息，確保最終測量的準確性。

圖1：NI 628x數據采集板卡的絕對精度表

數字萬(wàn)用表(DMM)的參數指標又是不同的表示方法，業(yè)界通常使用位數來(lái)描述數字萬(wàn)用表的分辨率，因此客戶(hù)也經(jīng)常認為一個(gè)6½位數字萬(wàn)用表必定可以精確到6½位。然而情況卻并非如此，這里的位數僅僅關(guān)系到儀器所顯示的數字的位數，并不是輸入信號的可分辨的最小變化。因此需要查驗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量分辨率。例如，一個(gè)6½位DMM能夠表示1,999,999個(gè)計數的給定范圍。但如果儀器測量的噪聲的峰峰值為20個(gè)計數，這個(gè)時(shí)候可分辨的最小變化為0.52 x 20個(gè)計數(分辨率 = 高斯噪聲的電壓或計數×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(ENOD)為：

數字萬(wàn)用表的精度通常以±(ppm of reading + ppm of range)來(lái)表示。例如，如果將DMM設置到10V的范圍用以測量一個(gè)7V的信號，并工作在23ºC ±5 ºC校準后的90天內，根據該DMM的參數表(見(jiàn)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，用戶(hù)更應該理解有效位數的概念和懂得如何去計算DMM的測量精度，這些指標對于保證DMM的測量效果是至關(guān)重要的。

正如上面所舉的兩個(gè)例子，通過(guò)了解自動(dòng)化測試系統對測量精度與分辨率的需求，可以準確地評估儀器系統總的誤差范圍，并驗證其是否符合測試的要求。而且，客戶(hù)應主動(dòng)咨詢(xún)儀器廠(chǎng)商，以準確把握數據參數表中各個(gè)技術(shù)規范的含義和儀器的真正性能。

影響系統精度的幾個(gè)重要因素

冷卻和散熱

影響設備精度的一大重要因素就是工作溫度，因此，系統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箱和其中模塊的穩定工作，更能提升相應板卡和電源的平均故障時(shí)間間隔(MTBF)參數。一些專(zhuān)業(yè)的測量總線(xiàn)標準，如PXI總線(xiàn)，在冷卻和散熱方面進(jìn)行了嚴格的規范，包括對機箱中散熱氣流方向的定義、以槽為單位進(jìn)行散熱等(見(jiàn)圖3)，確保系統在正常的工作溫度下完成測量任務(wù)。

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

(通過(guò)在機箱頂部加裝出風(fēng)口和槽位底部加裝空氣偏導器)

功率管理

和冷卻和散熱系統一樣，穩定和充足的電源供給也是確保系統測量精度的必要條件，儀器廠(chǎng)商應該提供在不同電壓情況下機箱電源所能提供的最大電流和相應的功率參數，尤其是在極限溫度情況下(如

>50 °C)的功率的降額指標(見(jiàn)圖4)，幫助用戶(hù)充分的了解系統的功率分配情況，從而避免測量的不準確性甚至是儀器的異常死機。

有些專(zhuān)業(yè)的儀器廠(chǎng)商在設計和生產(chǎn)階段會(huì )對系統進(jìn)行滿(mǎn)負荷的測試，評估其功率的分配和散熱的效果等，確保機箱中每一個(gè)模塊測量的準確性，這些都是對客戶(hù)而言附加的保障。

圖4：NI PXI 1042機箱的可用功率參數表及>50 °C情況下的降額功率

EMI/EMC認證

EMI/EMC認證是對整個(gè)測試系統在安全性和電磁兼容性等方面的保證，也是對各種工作環(huán)境下測量精度的保證?？蛻?hù)在選購儀器系統時(shí)，應注意相關(guān)的安全認證信息，除了廠(chǎng)商能夠自我申明的CE認證外，更重要的是看能否通過(guò)一些第三方權威機構的安全認證，比較常見(jiàn)的如北美的FCC認證、澳大利亞的C-Tick認證和歐盟的Demko和TUV認證等。有些儀器廠(chǎng)商為了節約成本提供盡可能少的第三方認證或者只提供CE認證，這樣的系統在安全性上難免會(huì )存在一些隱患，用戶(hù)在采購測試系統時(shí)需要留心這一點(diǎn)。

電纜和接線(xiàn)方式

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

采用高質(zhì)量的電纜

50/60 Hz的電源線(xiàn)噪聲可能是最常見(jiàn)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?hù)會(huì )指望用后期的濾波來(lái)去除這種噪聲，然而在低電流的測量中，50/60 Hz的電源線(xiàn)噪聲很容易使電流表靈敏的前置放大電路達到飽和，這樣一來(lái)，任何濾波都很難恢復之前的測量精度。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)對地產(chǎn)生的微小電流，對于一些低電壓的測量應用，推薦采用低泄漏和低熱電動(dòng)勢(low-leakage and low-thermal EMF)的電纜，因為這樣的電纜內外層都采用特富龍面料達到完全的絕緣，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(zhuān)業(yè)的接線(xiàn)方式

當測試系統小于50個(gè)測試點(diǎn)或者只有少量?jì)x器時(shí)，可以很容易的通過(guò)一些接線(xiàn)盒或螺絲端子將儀器和待測設備相連。但對于成百上千個(gè)測試點(diǎn)或者多個(gè)儀器、甚至要求可重復配置或需要頻繁通斷的大型系統而言，往往需要采用專(zhuān)業(yè)的大規?；ミB系統。大規?；ミB系統是一種機械裝置，用以方便大量待測設備輸入輸出信號的連接。該系統通常附帶一些機械護欄，通過(guò)這樣的護欄所有的信號可以快速地從儀器(通常在一個(gè)機柜中)連接到待測設備。大規?；ミB系統也會(huì )對經(jīng)歷反復連接/斷開(kāi)的儀器前端的線(xiàn)纜提供保護，避免其受到磨損和破壞。

重視校準服務(wù)

之前所討論的一些因素都是在構建測試系統時(shí)需要考慮的，而在儀器使用的過(guò)程中，隨著(zhù)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，給測量帶來(lái)很大的不確定性。要想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須定期校準儀器。

圖5：隨著(zhù)時(shí)間和環(huán)境的變化，測量誤差會(huì )逐漸的變大

校準分外部校準和自校準兩種。外部校準就是將儀器的當前性能與已知的標準精度進(jìn)行比較，通過(guò)對儀器測量能力的調整，確保其測量精度在廠(chǎng)商提供的標準范圍內。要想完成對一個(gè)儀器的外部校準，可以將其送回原廠(chǎng)，或者送至一個(gè)校準計量實(shí)驗室進(jìn)行校準。當然，如果有相應的校準條件，也可以自己實(shí)現外部校準。無(wú)論采取何種方式，重要的是要注意廠(chǎng)商所提供的儀器的外部校準時(shí)間間隔。例如一家廠(chǎng)商的函數發(fā)生器的外部校準間隔是一年;而另一家廠(chǎng)商具備同等或更好精度規范的函數發(fā)生器的外部校準間隔卻是兩年。為了減少自動(dòng)化測試系統的維護成本，客戶(hù)就應該選擇第二家廠(chǎng)商的儀器。因此，客戶(hù)在選擇儀器時(shí)，也需要仔細考慮外部校準時(shí)間間隔的參數。

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

除了外部校準，一些廠(chǎng)商的儀器還包含了非常實(shí)用的自校準的功能。具備自校準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)快速的校準該儀器，減少因環(huán)境等因素造成的測量誤差，而不必將其搬離測試系統或者與外部校準設備相連。當然，自校準并不能完全替代外部校準，它只是提供了一種在外部校準周期之間改善儀器測量精度的方法。

結論

測量精度，作為一個(gè)相對復雜的綜合因素體，真實(shí)反映了儀器系統所能還原信號值的能力，也成為評估自動(dòng)化測試系統的重要指標之一。本文所討論的關(guān)于如何解讀儀器的技術(shù)參數，影響測量精度的幾個(gè)重要因素，和最后的校準服務(wù)等，都是測試工程師在選型時(shí)最容易碰到的問(wèn)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測量精度的重視，同時(shí)對測試系統的選

型提供一些有益的幫助。