关于数据采集系统的关键性能指标

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                    　　尽管有很多从事开发数据采集(DAQ)系统人员，但大多数都不是专业测试工程师。对DAQ没有经过正规技术训练，有经验的成员也较少。所以，要选择合适的系统可能有些困难。特别是，在为特定应用选择一个最好系统时，必须考虑DAQ接口的大量系统指标。
　　DAQ系统有很多不同功能，但模拟输入是绝大多数应用中的第一要素。测量温度、压力、应力、振力、电流、电压，都需要一个模拟输入。
　　通道数
　　所要考虑的是最容易和最明显的性能指标就是系统所需的通道数。系统在很多输入中，至少必须有你所希望测量的信号。
　　也应考虑耦合。首先考虑接口是否具有差分或单端输入。如果差分和单端输入都有，在说明产品通道数时，应加以注明，例如：16通道16位A/D板，都是指单端通道数。差分通道数是单端的一半。习惯上要考虑行业标准。
　　另一项考虑是否要有特别的模拟输入要求。例如，系统所用的传感器对环境温度非常敏感，而且是在室外环境下，进行精确测量时，必须测量传感器处的温度。在测量来自热电偶的温度时，至少需要一个输入通道用于冷端补偿。
　　分辨率
　　模拟输入通道的分辨率是指系统可以提供的测量值或范围。此性能指标通常用位表示，分辨率定义为2(#ofbits)。例如，8位分辨率相当于分辨率为28(或256)分之一。
　　与输入范围结合在一起，分辨率决定在输时，能检测多小的输入变化。为了建立工程单位的分辨率，用分辨率除输入范围。实际议程式需要用2(#ofbits)-1除输入范围。然而，对于10位以上的分辨率，所标定的系统性能，一般忽略误差。0到10V输入范围的16位输入提供10V/1216或152.6?V。
　　8位变换器通常用在特别高速应用中，而20位和24位变换器通常应用在需要更高分辨率和较低取样率的场合。表1给出DAQ系统中，所用变换器的分辨率比较。




　　表1 通常用在DAQ系统中变换器分辨率和动态范围
　　动态范围是与分辨率有关的另一因数。动态范围是最小分辨率与输入满标之比。尽管动态范围在很多应用中不是关键性能指标，但当监控的信号对数标度作图时，动态范围是一个重要的考虑因素。
　　在声学、振动以及地震学应用中，动态范围是非常重要的。随着不太昂贵的24位A/D变换器的出现，可以又精确又经济地检控这些信号。
　　精度
　　尽管精度经常等同于分辨率，但它们不是相同的性能指标。仅仅因为一个模拟输入系统可以分辨1?V信号，但这不意味着输入是精确到1?V。对于1?V分辨率的系统，仅提供信号精确度到1mV，这是可能的。
　　例如，输入范围0"10的24位A/D变换器，具有0.596?V分辨率，但它仅提供1mV DC精度。用于音频系统的24位A/D变换器，具有2%量级的增益/满标误差不是罕见的。
　　对于电压，假定0"10V输入范围，分辨率是0.596?V，但是，DC精度可以低到20mV。20mV精度对于音频应用是完全足够的，但对温度或压力测量就不够好。当然，这是一种极端情况，尽管绝对精度不总是一个关键问题，但在很多应用中都关心它。记住，高分辨率不总能保证高精度。
　　分辨率总是不变的以位标定，而精度性能指标有广泛的术语分类。没有一种方法是标准的，这取决于应用，一种性能指标方法可能提供比另一种方法更多的理解。
　　模拟输入系统的主要误差贡献是输入偏移、增益误差、非线性度和固有的系统噪声。偏移、增益、积分非线性(INL)与输入噪声性能指标结合起来计算总输入精度。
　　有另外第2位贡献因数，但在大多数系统中可以忽略。图1示出理想输入系统与每种误差如何影响测量之间的关系。
　　输入偏移
　　假定所有其他误差都是零，输入偏移是测量输入和实际输入电压之间恒定差值。例如，若输入偏移电压是+0.1V，则理想1V、2V和5V输入信号测量将分别提供读数1.1V、2.1V和5.1V。
　　在实际系统中，其他3个误差决不会是零，这使输入偏移测量复杂化。基于此原因，大多数性能指标定义输入偏移是在0V的测量误差。
　　某些DAQ产品提供自动调零能力。这种性能驱使输入偏移误差到零或至少到足够小的电平，使其贡献相对于其他误差不再是明显的。
　　增益误差
　　在说明此误差时，假定所有其他误差都是零。在此情况下，增益误差是实际系统和理想系统之间的每位电压斜率差。例如，增益误差是1%，则增益误差在1V应是10mV，而10V的误差应是10倍大的100mV。
　　在实现系统中，其他误差不是零，增益误差通常定义为满标读时的测量误差，例如，在0"10V范围实例中，假定10V或接近10V(如9.9V)时，误差是1mV，则增益误差标定是100X(0.001/10)或0.01%。对于较高精度的测量系统，增益误差往往标定百万分之几(ppm)，而不是几百分之几。
　　为了用ppm计算误差，用1百万乘输入范围分式的输入误差。在实例中，0.01%应等于1,000,000(0.001/10)或100ppm。
　　尽管很多产品提供自动定标，可以降低增益误差，但增益误差不像输入偏移误差，不可能完全消除。这是因自动增益定标是相对于内部供电的参考电压。
　　参考电压有自己本身的误差，参考电压中的任何误差都会转化进增动态范围(dB)益误差。当增益误差相对于系统其他误差变小时，改善参考电压精度会变得不太经济。
　　非线性度
　　非线性度是实际电压的输入测量曲线和理想的直线之间的差值。非线性误差有两个成分：INL积分非线性和差分非线性(DNL)。
　　在大多数DAQ系统中，INL是重要的性能指标，通常以位表示，表明由电压读数曲线偏离直线所引起的最大误差贡献。尽管描述概念有某些困难，但容易用图1描绘。
　　DNL描述A/D变换器增加或减少1位所需要的输入电压改变之间的抖动。在理想的变换器中，电压从一个读数增加到下一个较高的读数是相等的，并严格等于系统分辨率。
　　例如，一个10V输入范围的16位系统，每位的分辨率是152.6?V。一个理想的变换器每次增加1位数字输出，其输入电压应增加152.6?V。然而，A/D变换器不是理想的，而电压增量所需移到下一个较高位不是一个固定数。
　　DNL通常应该是±1LSB或更小。DNL性能指标±1LSB表明丢失码是可能的。A/D丢失码会损害测量精度。
　　噪声
　　噪声是DAQ系统中不断出现的误差。任何系统中的多数噪声是由外部系统产生，或从缆线上拾取。然而，每个DAQ系统也有固有噪声。通常，噪声测量是在板或器件连接器输入短路时，采集一系列取样。
　　一个理想系统响应应该是恒量零值。然而，几乎大多数系统，跳动读数将超过取样数。跑动量值是固有噪声。噪声性能指标以位或电压(峰—峰或rms)表示。
　　在整个误差计算中，必须乘以噪声因数。尽管不希望所有3个误差(偏移、线性度和增益误差)同时都有贡献，但假定它们都不存在，这是危险的。
　　最大取样率
　　系统必须足够快地取样，以便能够看到输入端所需的变化。根据Nyquist取样理论，取样必须至少两倍快速于所希望监控正在变化的现象。假设输入信号包含高达1KHz频率，则希望在2KHz取样，而更可靠的是在3KHz取样。
　　必须仔细检查所考虑的模拟输入系统的每个通道，或整个板的取样率性能指标。大多数制造商给出适用整个板的取样率。对于100Ks/s取样率，在最高取样率中取样一个通道，但另外的通道必须共用100Ks/s。
　　例如，若对两个通道取样，每个通道仅在50Ks/s取样。类似5个通道的每个通道，都可能在20Ks/s取样。若没标定每个通道的取样率，则取样率必须除以通道数。
　　当DAQ系统正在监控具有宽变化频率成分的输入时，需要另外的取样率考虑。例如，汽车测试系统需要在20Ks/s监控振动和在1s/s监控温度。若模拟输入仅在单取样率下取样，则将迫使系统在20Ks/s取样温度，这会浪费大量存储器(存储19,999温度s/s)。某些系统允许每个通道在不同的取样率下取样，但很多系统做不到这一点。
　　最后的问题是需要取样足够快，或者提供滤波以避免混淆。若包含在输入信号中的信号频率高于一串取样率，则会有丰富的混淆误差。不从数学上考虑混淆，而这些较高频率的信号将把它们自己表示为一个低频误差。
　　解决混淆有两种方案。最简单的方案是，在取样率大于被测信号最高频率分量两倍下取样。
　　另一方案是采用抗混淆滤波器，在热电偶中，人们不用抗混淆滤波器。因为几乎不需要它们。被测信号一个好的基本思路，通常是直接确定混淆是否是一个要解决的问题。
　　在某些应用中(如音频和振动分析)，混淆是一个非常值得关心的实际问题，保证取样率大于波形中每个频率分量是困难的。这些应用需要抗混淆滤波器。抗混淆滤波器通常是在一半取样率的4级或更高极滤波器组。这样可以避免所获得的较高频率信号，到可能产生混淆误差的系统(A/D)变换器。
　　输入范围
　　输入范围也是一个相当明显的性能指标，它是不可能忽略的一种性能指标。若有±15V信号，则就不能从具有固定±5V的输入范围的DAQ板得到结果。现在，大多数系统具有软件可编程输入范围。任何一个方法，被测信号都应该小于DAQ输入器件的最大输入范围。
　　输入范围的另一个考虑因素是，DAQ系统是否具有在不同范围设置不同通道的能力。一个单输入范围系统，测量器件信号(如热电偶，±10V输入)，要求系统设置在增益足够低的情况下，以便覆盖具有最大满标范围的输入。从效果上看，这降低了适用具有更小满标输入范围的信号分辨率。
　　误差与单端输入
　　差分输入测量两个输入端之间的电压差，而单端输入读出输入和DAQ地之间的差值。差分输入提供较好的抗扰度，其原因如下：
　　第一， DAQ系统拾起的大多数噪声是本地环境中EMI耦合到系统中。保持差分输入的两条线紧靠，这意味着两条线永受相同的EMI。由于在两根线上拾起的EMI相同，所以，在两个输入呈现出的电压差是零，这不会影响测量。
　　在相对于地的共模范围内，差分信号也可以浮动。DAQ系统和传感器或信号源的地电源差，在差分输入情况下可忽略。但在单端输入情况下，DAQ系统地会导致显著的测量误差。
　　在比较噪扰的环境中，更重要的是必须有差分输入。对于16位或更高分辨率，通常建议采用差分输入。
　　取样模式
　　大多数通道DAQ板是基于单A/D变换器基础上的。在输入通道和A/D变换之间，用一个称之为“开关”的多路转换器。多路转换器连接一个单个输入到A/D，使A/D采样此通道。然后，多路转换器以序开关到下一个通道，取另一次样。此过程直到采集完所有希望的通道为止。
　　这种配置提供廉价而又更精确的测量。即使开关和取样非常快，也能在不同时间取样。
　　在大多数应用中，不同通道上取样之间的时间歪斜不是一个问题。在某些高速应用中，不允许有信号间的歪斜或相移，不能采用标准的多路转换系统。
　　在这种情况下，系统需要具有同时采样不同通道的能力，这可用两种方法实现。第一种办法是在每个多路转换器输入放置一个取样和保持(S&H)电路。当命令给保持电路时，S&H能瞬间有效地把输入稳定在输出。
　　在保持模式，正当输入变化时，其输出保持恒定。一旦处在保持模式，多路转换器A/D系统取样所希望的通道和来自同一时间取样的数据。
　　第二种方法是每个通道都需要一个独立的A/D变换器。任一系统应提供良好的结果。




　　图1 偏移、增益和INL误差的图线表示。