數據采集硬件：如何避免缺陷與誤差
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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據向來(lái)是深信不疑的。例如：汽車(chē)儀表盤(pán)上的速度讀數，實(shí)驗室里的溫度測量計，或示波器屏上的顯示等等。而實(shí)際上，我們依賴(lài)的這些測量結果并不完美。一輛汽車(chē)的速度計經(jīng)常會(huì )有一些公里/小時(shí)的誤差，而溫度測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，因此由速度計造成的誤差基本可以忽略不計。但當我們需要建立一個(gè)專(zhuān)業(yè)級的測量和數 據采集系統時(shí)，對最大誤差的掌握就變得至關(guān)重要了。
任何數字式測量都必須面臨的限制因素是：將有限次數的測量結果當做真實(shí)結果顯示出來(lái)。測量次數的最大值是由測量結果要求的精度位數決定的。如：一個(gè)8位的 二進(jìn)制數應該進(jìn)行28 = 256次測量。如果一個(gè)速度計使用8位精度的數字來(lái)表達0 到256km/h的范圍，那么結果應該只以1km/h的增量顯示出來(lái)。因此，司機不能確認任何小于.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)危險的錯誤就是：假設量化誤差是誤差的唯一來(lái)源。這也是測量中一個(gè)常見(jiàn)的錯誤。幾乎所有類(lèi)型測量硬件的特性表或產(chǎn)品目錄都會(huì )只著(zhù)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)表達信號真實(shí)值的二進(jìn)制數長(cháng)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。多功能數據采集板卡(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(xiàn)性、噪音誤差等。
對幾個(gè)主要誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單相加所得的結果，就可讓你對測量系統的總體誤差有足夠的了解。主要誤差源包括量化誤差，非線(xiàn)性誤差，線(xiàn)性誤差和噪音層誤差等。文 章上面討論的量化誤差是用數據采集卡總量程的一半除以以二進(jìn)制數來(lái)顯示的測量結果的可能狀態(tài)數，結果等于測量預估值之間間隔的一半。在實(shí)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(xiàn)性誤差。非線(xiàn)性誤差的校準十分困難，因為這需要對高精度信號源進(jìn)行多次測量。相對來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性誤差的校準就很 容易。線(xiàn)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）的信號源就足以校正線(xiàn)性誤差了。噪音層代表 了真實(shí)信號的各種隨機偏移總和。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(guò)簡(jiǎn)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。大多數數據 采集板卡的手冊會(huì )詳細說(shuō)明這些參數，盡管所用的術(shù)語(yǔ)和單位會(huì )有所不同。最佳評估數據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)支持的數據采集卡，快速建立起一個(gè)測量系統。最后，通過(guò)查閱手冊來(lái)確定最符合精度要求的板卡。根據 經(jīng)驗總結出的一般規律來(lái)說(shuō)，16位板卡的精度是12位板卡的10倍?，F在，數據采集卡以各種總線(xiàn)的封裝形式出現在市場(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數據采集卡
由于NI 的Measurement-Ready 數據采集（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高穩定信號時(shí)的差異。
噪聲層越低越好，但這只適用在由于噪聲導致 的誤差在理想的數據上下等同的情況之下。當我們搜集到一些數據并想算出其平均值時(shí)，這些數據卻普遍偏高，這時(shí)，我們得出的結果會(huì )怎樣？自然是數據偏高。 Measurement-Ready DAQ設備采用一種叫做“抖動(dòng)”的硬件技術(shù)，解決了此類(lèi)問(wèn)題?！岸秳?dòng)”使得對信號產(chǎn)生影響的噪聲偏大和 偏小的可能性接近。從統計數據來(lái)看，此技術(shù)增強了該檢測設備的精確性。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。 Measurement-Ready DAQ設備采用優(yōu)化的組件，這使得模數轉換器（ADC）中最常出現的誤差最少化了。ADC的最常見(jiàn)誤差主要分兩類(lèi)：線(xiàn)性和非線(xiàn)性誤差。線(xiàn)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(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性公式糾正。Measurement-Ready DAQ設備的自校準功能可以自動(dòng)地校準線(xiàn)性誤差。然而，非線(xiàn)性誤差由于其難以在軟件中糾正，將此類(lèi)誤差最小化則在設備的設計中顯得猶為重要。非線(xiàn)性誤差包 括微分非線(xiàn)性(DNL) 和積分非線(xiàn)性 (INL)。如圖3所示，微分非線(xiàn)性指的是DAQ設備在檢測不同電壓高低時(shí)的差異。積分非線(xiàn)性是微分非線(xiàn)性誤差的總和。高質(zhì)量的組件與優(yōu)越的板卡設計相結 合，最小化了非線(xiàn)性誤差帶來(lái)的影響。
校準
電子元件會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和環(huán)境的變化發(fā)生漂移。隨著(zhù)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系統在25℃時(shí)讀數為2.00V，而一年之后，即使在同樣溫度下，度數就可能變?yōu)?.01V了。為補償此類(lèi)漂移，需要對DAQ設備進(jìn)行定期的調整或校準。
當對NI Measurement-Ready DAQ設備進(jìn)行校準時(shí)，我們將測試結果與已知的標準值作比較。若測量結果不在規格之內，則該設備就必須進(jìn)行一定的調整。校準有如下步驟：
1. 檢查DAQ設備的當前運作是否在規定的誤差范圍之內；
2. 若超出允許的范圍，必須做一定的調整；
3. 調整之后，再次檢查DAQ 設備的運作是否符合規定；
4. 發(fā)布校準證書(shū)，說(shuō)明該設備經(jīng)與可溯源標準比較，可在規定范圍內操作。
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(guò)程只需要軟件的一個(gè)命令即可，無(wú)須其他信號連接，也無(wú)須多余操作。
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