數據采集設備中的“即測即用”是高精度測量的新技術(shù)

1、前言

多功能數據采集(DAQ) 設備結合了模擬前端，靈活的定時(shí)和觸發(fā)ASlC以及總線(xiàn)接口A(yíng)SlC，從而改善和優(yōu)化了最新的現有商業(yè)化數字技術(shù)。利用這些DAQ設備再結合信號調理產(chǎn)品，可以創(chuàng )建確保精度的DAQ系統。這就是在數據采集設備中應用了“即測即用”高精度測量的新技術(shù)的結果。也稱(chēng)之為“即測即用”數據采集(Measurement Ready DAQ)設備。由于“即測即用”數據采集(Measurement Ready DAQ)為獲得絕對精度而進(jìn)行了優(yōu)化，具有了如下特性：

卓越的模擬電路設計：具有低于20μV的系統噪聲和其它硬件規格，無(wú)論是小信號還是大信號，都可以進(jìn)行精確測量；

全面的信號調理選擇：具有隔離、濾波、激勵和電流測量模塊，可將其連接到任意類(lèi)型的傳感器上；

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

為此本文將對此問(wèn)題迸行討論與分析，因為它關(guān)系到數據采集糸統的根本。

值此首先需要說(shuō)明的是何謂多功能DAQ數據采集？

多功能DAQ-多功能DAQ指的是數據采集硬件，它能在單個(gè)設備上提供多種功能：模擬輸入、模擬輸出、數字輸入、數字輸出和定時(shí)I/O。

而數據采集的目的是為了測量如光、溫度、壓力或聲音這樣的物理現象?；赑C的數據采集結合了硬件，軟件和計算機來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化測量、分析測量數據。

2、即測即用”數據采集設備精度特征關(guān)鍵-高質(zhì)量測量性能

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換為可以通過(guò)電線(xiàn)傳送的電信號。當將這些電線(xiàn)連接到數據記錄儀或數據采集(DAQ)卡、數字萬(wàn)用表(DMM)、或任何其它類(lèi)型的測量硬件上的時(shí)候，肯定希望讀取到的就是線(xiàn)上傳輸過(guò)來(lái)的精確的數值?？赏残枰f(shuō)明，沒(méi)有一種測試硬件是完美的。因此必然要考慮能夠接受的最大誤差值是多少呢?

當今許多設計人員在評估DAQ產(chǎn)品的優(yōu)劣時(shí)，往往只考慮它的精度位數。例如，認為使用16位精度的DAQ設備，用戶(hù)可得到個(gè)可能的數據點(diǎn)。這65536個(gè)值均勻地分布在一個(gè)電壓范圍內，而任何一個(gè)采樣得到的信號都會(huì )被圓整到這些值的其中一個(gè)。在此圓整過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差就叫“量化誤差”。DAQ設備精度上的量化誤差僅僅是造成測試結果誤差原因中的極小部分。由于硬件設計的不同，其它類(lèi)型的誤差將呈現極其多種的形式?！凹礈y即用”數據采集設備可以最大程度上減少各種類(lèi)型的誤差可能。這些都是可能導致誤差的原因，在選購任何一種硬件設備，例如DAQ設備時(shí)，都需認真考慮。

2.2即測即用”數據采集設備能將溫度漂移大大縮小

DAQ設備的精確度會(huì )隨著(zhù)它溫度的改變而發(fā)生變化?！凹礈y即用”數據采集設備能將因溫度變化引起的誤差縮小到最小范圍，這是因它在設計上有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：高品質(zhì)的元部件：能在很大的溫度范圍內保持數值的穩定；補償元件：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)評估設備當前溫度。

舉例說(shuō)明

由于設計中的諸多考慮，當溫度變化1℃時(shí)，16位精度的“即測即用”數據采集設備所讀取的數據變化僅為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)的讀數準確性。

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

2.3以很小穩定時(shí)間達到一定的精確

穩定時(shí)間指的是DAQ設備為達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，“即測即用”數據采集設備都可以確保根據要求穩定下來(lái)。如圖1顯示了12位E系列DAQ卡最差的穩定時(shí)間范圍。在電壓范圍為10V時(shí)，此設備的量化誤差為1.22mV。需要注意，量化誤差只是整體測量誤差的一小部分。

舉例說(shuō)明

因多路傳輸DAQ設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。由于這些要求，大部分市售儀器放大器均具有DAQ設備所需要的精度。如NI PCI-6052E經(jīng)過(guò)4μS穩定在0.305mV的范圍內，而采用線(xiàn)性技術(shù)LT1102高速、精確儀器放大器在同樣長(cháng)的時(shí)間內卻穩定在2.5mV的范圍內。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的穩定時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)，DAQ設備也表現出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噪聲接近

噪聲諸如熱或電等因素的干擾都會(huì )引起測量值偏離實(shí)際的被測信號，其偏移值被稱(chēng)為噪聲層。由于“即測即用”數據采集(Measurement Ready 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，這一切優(yōu)秀品質(zhì)使得設備的噪聲最小化。圖2展示的是一般的DAQ設備與“即測即用”數據采集設備在讀取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)，得出的結果會(huì )怎樣，自然是數據偏高”?！凹礈y即用”數據采集設備采用一種叫做“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。

2.5能最小化了非線(xiàn)性誤差所帶來(lái)的影響

“即測即用”數據采集設備采用最優(yōu)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)：即線(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的用一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性公式得以糾正?！凹礈y即用”數據采集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)誤差量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(1NL)。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。

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

2.6 ”即測即用”數據采集設備的校準

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，讀數就可能變?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“即測即用”數據采集設備進(jìn)行校準時(shí)，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：

*檢查DAQ設備的當前運作是否在規定的誤差范圍之內；
*若超出允許的范圍，必須做一定的調整；調整之后，再次檢查DAQ設備的運作是否符合規定；
*發(fā)布校準證書(shū)，說(shuō)明該設備已經(jīng)與可溯源標準比較，可在規定范圍內操作。

“即測即用”數據采集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。所有的“即測即用”數據采集設備出廠(chǎng)時(shí)都附有可溯源校準證書(shū)。

在使時(shí)間漂移量降至最低的過(guò)程中，也需要使用同樣精確的參考電壓使您的DAQ設備隨著(zhù)環(huán)境溫度變化保持穩定。當范圍為±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)間內漂移達740μV。即使當將一個(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)，設備也表現出88%的精度改善。

3、關(guān)于信號調理精度特征

3.1何謂信號調理？

信號調理是完整的數據采集系統的關(guān)鍵組成部分。它能通過(guò)放大、隔離、濾波或多路復用來(lái)提高系統性能和可靠性。對于某些傳感器，如RTD，必須要有作為激勵源的信號調理。

信號調理是數據采集系統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(zhuān)門(mén)信號調理技術(shù)，而沒(méi)有哪種DAQ設備能為所有的傳感器提供各種類(lèi)型的信號調理功能。比如說(shuō)，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號，它還需要進(jìn)一步的放大、過(guò)濾、以及線(xiàn)性化等處理。

3.2多通道系統(SCXl)與緊湊信號調理系統(SCC)

SCC當今不少著(zhù)名公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能適合您獨特數據采集系統的信號調理平臺，包括支持智能TEDS傳感器，靈活的信號連接選項，模塊化和軟件配置功能。這些可選的設備包括用于便攜式應用的緊湊信號調理系統(SCC)以及用于高通道數大型應用的堅固的多通道系統(SCXl)。

其SCXI是多用途，高性能的信號調理平臺。無(wú)論是用于包含插入式儀器還是DAQ設備的信號調理前端系統，或者基于USB的數據采集系統．SCXI是專(zhuān)為要求大中規模、多通道數，堅固封裝以及高性能的信號調理和通路開(kāi)關(guān)的切換過(guò)程中，提供廣泛選擇范圍的應用方案而設計的。SCXI包含了完整的模塊，可以對諸如熱電偶、FITD、應變儀、負載單元、壓力傳感器、加速度計。LVDT、高壓輸入、電流輸入、模擬輸出、數字信號等廣泛的信號類(lèi)型進(jìn)行放大、濾波、衰減、隔離和多路復用。SCXI也能提供通用功能和多路復用器外巨陣開(kāi)關(guān)解決方案。

SCXI(如圖4所示)用于解決中高通道數信號調理應用問(wèn)題?？梢詫⒏鞣N信號調理模塊混合匹

配使用，并把他們安裝在一個(gè)SCXI機箱里面。只要將這一機箱與“即測即用”數據采集設備連接，所有的模塊即可被自動(dòng)植測井加入到DAQ配置軟件中。

而SCC，對于便攜式低通道數應用-可達到16個(gè)模擬輸入通道和8個(gè)數字I/O通路-SCC對每個(gè)通道提供模塊化．靈活的信號調理。SCC所提供的信號調理用于廣泛的輸入．包括熱電偶、FITD、加速計、應變儀、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據表格(TEDS)連接器的SC-2360屏蔽盒(能包含10個(gè)模塊)，并通過(guò)電纜直接和M系列，E系列或基礎級的多功能數據采集設備相連。

SCC是適用于低通道應用便攜式信號調理平臺。不象SCXl一個(gè)模塊同時(shí)處理一組信號，SCC平臺為每一個(gè)信號提供單獨的模塊。SCC平臺還提供了切換開(kāi)關(guān)、LED，以及BNC和LEMO等常用的連接端于。無(wú)論是SCXI，還是SCC平臺都有用于測量、激勵、隔離和過(guò)濾的模塊。圖5是SCC系統的展示圖。

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接口的傳感器特性的自我描述機制，該機制通過(guò)傳感器電子數據表格(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器芯片中或者可從數據庫中下載，它為數據采集系統提供了傳感器必要的配置、換算和校準信息，減少了配置時(shí)間．提高了測量精度。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據表(TEDS)包括：傳感器制造商，序列號，測量范圍，校準信息及用戶(hù)信息(特定區域)。

3.4 SCXI與SCC信號調理精度特色

一個(gè)高效的數據采集系統應該結合所需的信號調理技術(shù)，從而避免降低您所定制的解決方案的測量精度，功能和靈活性。通過(guò)對SCXI數據采集系統進(jìn)行配置，它可以接收廣泛的傳感器和信號類(lèi)型，并且能為了今后的應用而輕松地再次配置或擴展。

針對低通道數和便攜式測量系統SCC能夠在一個(gè)緊湊、小巧的盒子中進(jìn)行信號調理．特別適合16個(gè)或少于16個(gè)模擬輸入通道的應用。