改善數據采集測量結果的四種常用校正方法

改善測量結果需要進(jìn)行配置、校準以及優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。本文旨在使您了解優(yōu)化測量結果的軟、硬件技巧，內容包括：選擇并配置數據采集設備、補償測量誤差以及采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)。

當您將電子信號連接到數據采集設備時(shí)，您總是希望讀數能匹配輸入信號的電氣數值。但我們知道沒(méi)有一種測量硬件是完美的，所以為了改善測量結果我們必須采用最佳的硬件配置。

根據應用需求，您必須首先要明確數據采集卡所需的模擬輸入、輸出通道以及數字I/O線(xiàn)的最少數目。其次還要考慮的重要因素有：采樣率、輸入范圍、輸入方式和精度。

第一個(gè)要考慮的問(wèn)題是現場(chǎng)接線(xiàn)，根據您要采集的信號源類(lèi)型，您可以使用差分、非參考單端、參考單端三種輸入方式來(lái)配置數據采集卡。

總的說(shuō)來(lái)，差分測量系統較為可取，因為它能消除接地環(huán)路感應誤差并能在一定程度上削弱由環(huán)境引起的噪聲。而另一方面，單端輸入方式提供兩倍數據采集通道數，可是僅適用于引入誤差比數據所需精度小的情況。表1為選擇合適的信號源模擬輸入方式提供了指導

選擇合適的增益系數也是非常重要的。保證數據采集產(chǎn)品進(jìn)行精確采集和轉換所設定的電壓范圍叫做輸入信號范圍。為得到最佳的測量精度，使模擬信號的最大最小值盡可能占滿(mǎn)整個(gè)ADC(+/-10V或0-10V)范圍，這樣就可使測量結果充分利用現有的數字位。

在數據采集系統中選擇合適的增益

圖1表示同在10V的輸入范圍下使用不同的增益系數，輸入5V信號得到的采集結果。請注意：選取合適的增益系數能夠充分利用ADC并改善您的測試結果。

任何測量結果都只是您要測量的“真實(shí)值”的估計值，事實(shí)上您永遠也無(wú)法完美地測量出真實(shí)值。這是因為您測量的準確性會(huì )受到物理因素的限制，而且測量的精度也取決于這種限制。

在特定的范圍內，16位數據采集卡有2¹⁶(65536)種數值，而12位數據采集卡有2¹² (4096)種數值。理想情況下，這些數值在整個(gè)測量范圍內是均勻分布的，而且測量硬件會(huì )把實(shí)際測量值取整成最接近的數值并返回計算機內存。事實(shí)上有許多人認為，這種取整誤差(通常稱(chēng)為量化誤差)是決定精度的唯一因素。實(shí)際上，這種量化誤差，在 12位多功能數據采集卡中只占總誤差的35%，而在類(lèi)似的16位卡中就更微不足道了。不管您使用12位還是16位數據采集卡，都不能只考慮這種量化誤差。

放大器中的缺陷，如電阻器容限和模擬-數字轉換特性，都會(huì )產(chǎn)生增益誤差。這種誤差通常以總讀數的百分比表示。為了補償這部分誤差，您可以進(jìn)行內部校準。內部校準不僅能夠補償增益誤差還能補償溫度變化引起的誤差。這需要一個(gè)帶有溫度相關(guān)誤差容限的板載參考源。數據采集設備和其它類(lèi)型的傳統儀器都采用內部校準，通常也被稱(chēng)為自校準。

E系列校準VI

在LabVIEW中，您可以使用“E系列校準VI(E-Series Calibrate VI)”來(lái)對數據采集設備進(jìn)行校準(圖2)。一旦板卡處于工作環(huán)境，經(jīng)常校準能確保最精確、最穩定及可重復的測量結果，在自校準過(guò)程中可對模擬輸入和模擬輸出都能完成自校準。

由于有增益前偏差、增益后偏差和增益誤差校準，自校準會(huì )建立一個(gè)校準常數集合。完成一次校準之后，新的校準常數將被加載到板卡的存儲器上。舊的校準常數可以保存到EEPROM中，這樣在必要時(shí)可以重新加載。一旦板卡停止供電，如果還需要校準常數，那保存工作則是非常重要的。如果沒(méi)有把校準常數保存到EEPROM中，關(guān)閉計算機之后這些數據就丟失了。

放大器的缺陷或者模擬-數字轉換會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。在輸入范圍內，增益系數的微小變化就會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差，這種誤差一般表示為滿(mǎn)量程的百分數。到現在還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的校準方法能夠補償這種非線(xiàn)性誤差。因此仔細挑選數據采集卡是非常關(guān)鍵的。設備的相關(guān)精度表示非線(xiàn)性誤差的總值，相關(guān)精度定義為數據采集設備測量精度的最低有效位數。它包括所有非線(xiàn)性誤差和量化誤差，不包括偏差和增益誤差。知道了數據采集卡的相關(guān)精度就可以為所有讀數建立容限。

為進(jìn)一步提高測試結果的精度，還必須補償任何偏移誤差。偏移誤差在輸入范圍內是不變的，因此，糾正起來(lái)相對容易些。您可以先測量短路通道的偏移誤差，然后用以后的讀數減去這個(gè)值。

采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)

提高讀數精度的一種很好的軟件技術(shù)就是求平均值。求平均值的前提是噪聲和測量誤差是隨機的，因此，根據中心極限定理，誤差服從正態(tài)分布(高斯分布)。選取多個(gè)點(diǎn)后呈高斯分布，計算出平均值，平均值在統計上非常接近真實(shí)值。因此，所選取的要平均的點(diǎn)越多，平均值的標準偏差就越小。因為標準偏差會(huì )隨著(zhù)樣本數量增加而減小，所以應當盡可能提高用于平均的采樣點(diǎn)數。

定期的自校準也是一種好方法，它能夠在任何時(shí)候保持測量精度。執行定期內部校準(建議每天進(jìn)行)可以補償溫度和環(huán)境變化引起的誤差。