1、        摘要: 本文需要討論分折確保數據采集的測量精確度應注意的有關技術問題關鍵詞：精確度 分辨率 基準 漂移 信號調理    對數據采集測量來說,精度是反映一個數據采集設備讀入的信號測量值有多大程度的真實性。不精確的測量可能會使開發項目與方案設計及產品質量或自動化測試應用等費工費時全功盡棄，因此確保數據采集系統的精度是設計方案的主要問題。    但現實中,人們往往將精度與分辨率混淆。其實分辨率表示的是數據采集系統所能檢測的最小

2、信號變化量。實際上一個項目或設備的整體精度和分辨率取決于增益、偏置和時間等運行環境因素。一個數據采集設備的分辨率僅僅與模數轉換器芯片的分辨率部分相關。若用12位分辨率的A/D轉換器未必意味者你的系統將具有12位的精度；數據采集設備使用了一片16位的ADC芯片，但由設計不合理，則該設備性能的表現卻相當于12位的分辨率，而且精度很差。很多時候，令工程師們吃驚和不解的是，數據采集系統所表現出的性能往往遠低于期望值。如果不精確的測量問題直到樣機運行或批量生產時才被發現，那么整個開發項目與方案設計及產品質量或自動化測試應用等會全功盡棄。因此確保數據采集系統的測量精度是重中之重。  &

3、#160; 當今，對數據采集來說, 其測量的精度取決于包括傳感器、信號調理，電纜連接和數據采集硬件設備等眾多因素，也就是說，注意應用上述一系列技術問題是解決精確測量的關鍵。那末采用哪幾項技術,能保證實現數據采集的精確測量呢？這是本文需要討論分析的。1、 電壓基準是首位    電壓基準是精密模擬產品的保證，但采用外部電壓基準的最大潛在誤差源是參考電壓。為了解決基準所帶來的誤差源，應從以下幾點著手,即拓撲結構與溫度漂移及輸出噪聲。1.1拓撲結構-并聯(兩端子)型或串聯(三端子)型。在操作中，并聯基準與齊納二極管非常相似，因為它們都需要外部電阻器進行

4、偏置。外部電阻器決定了能夠輸送給負載的最大電流。當負載接近恒定且電源電壓變化極小時，應考慮采用并聯基準。串聯基準不需要任何的外部元件，如果負載是變化的,而且降壓電壓開銷十分重要的場合考慮使用。在對電源電壓變化的耐受性上，它也強于并聯基準。1.2溫度漂移-溫度漂移指的是因溫度變化所導致的輸出電壓變化，以ppmºC為單位來表示。與帶隙型電壓基準相比，埋入型齊納二極管基準(例如REF02、REFl02)的溫度漂移通常更小。溫度漂移可用多種方法(斜坡、蝶形電路或邏輯框)來確定，但最常用的方法是邏輯框法，計算公式如下：     1.3輸出噪聲-輸出噪聲通

5、常是在兩個頻率范圍內確定的，即0.1Hz至10Hz(峰-峰噪聲)和10Hz至1kHz(RMS噪聲)。噪聲是很重要的，因為它有可能縮小采集系統的動態范圍。高分辨率數據采集系統有可能完全因為基準噪聲的緣故而在LSB中發生高頻脈動。可通過外部濾波來降低噪聲。電壓基準如例如串聯REF02、REFl02或并聯REFl004-xx系列可選用。1.4或采用一種比例測量方式。    用一個信號既用作激勵傳感器又用作為參考電壓，這樣可以消除基準引起的誤差(如圖1所示)。為激勵源和基準同時漂移，漂移誤差相互抵消。2、 高質量電阻網絡的使用-對電子元件的溫度變化的補償

6、0;   在數據采集硬件內,電子元件的規格依賴于工作溫度，故應選擇的電子元件都具有很高的溫度穩定性，在15到35的工作溫度范圍內設計的數據采集設備將溫度引起的誤差減小到每攝氏度不超過信號真實值的0.0006%。所有這些特性都有助于保證測量具有很高的可靠性而無需考慮數據采集硬件工作溫度，在實際中那些設計有助于最小化誤差。溫度漂移保護電路與高精度前置放大電路    數據采集系統在A/D之前采用高精度前置輸入放大器的作用是在A/D的輸入端存電流瞬變的情況下能提供穩定、準確的信號。它還能提供增益(或衰減)、電平移位、濾波及其他信號修

7、整功能。由于DC準確度的要求有可能使放大器的選擇范圍變小,故放大器必須具有足夠低的失調電壓、失調電壓漂移、輸入偏置電流、噪聲等，以滿足所需的準確度性能指標。    另外,數據采集的高精度前置放大電路設計可以使芯片上的元件會具有消除溫度漂移誤差的方式響應溫度變化。例如,高質量的電阻網絡,即使在高溫的情況下也可以精確地保持設置的比例。這就使得在設備的整個工作范圍內都可以提供穩定的可編程的增益。3、也可采用板上溫度傳感器    這是由于板上溫度傳感器可確保其測量在已知的溫度下工作,從而使測量更加可靠。其方法是可從開發環境

8、,如NI的LabVIEW或Code Composer Studio的集成開發環境(IDE)中可以讀出板上傳感器的溫度，然后通過簡單的函數調用就可以更新存儲在設備上的校準常數。4、可編程增益放大器的應用    采用可編程增益放大器(PGA)。它是通用型極好的數據采集輸入放大器，它能夠對增益進行數字控制，以提高準確度并擴展動態范圍。許多PGA都具有即使在電源切斷的情況下仍被保持于±40V的輸入。單輸入型放大器可與各種傳感器或信號相連。在處理器的控制下，開關增益可使系統的動態范圍得到擴展。    所有的PGA系

9、列放大器均采用TTL或CMOS兼容型輸入，旨在實現與微處理器的簡易連接。對輸入進行激光修整，以實現低失調電壓和低漂移，從而可在無需外部元件的情況下使用。該PGA系列放大器設計應考慮以下二點：*增益誤差和漂移一為了獲得更高的增益，高精密型應用將要求更加密切地關注漂移和增益誤差。*輸入偏置電流一指的是每個放大器輸入在輸入失調電壓為零時產生0V輸出所需的DC電流。高源阻抗應用通常要求采用FET輸入放大器，這種放大器因為所需的偏置電流極低而最大限度地減少了偏置電流誤差。    這種特殊的集成電路可以在一個很寬的增益和采樣速率范圍內保證精度。它主要解決或克服一般商

10、用放大器常在高增益時帶寬減小從而導致時間建立慢到無法接受所造成的誤差。為了保證測量的精度，放大器必須在沒有振蕩或者振鈴的情況也能建立并穩定下來。如果沒有這種技術，在高增益和采樣速率的情況下，16位的ADC可能達到40個最低位的信號誤差。其他數據采集設備供應商經常忽視儀器級放大器的重要性，這就導致在高增益和采樣速率時分辨率較低和不精確。5、用RC網絡優化A/D特性及采用高斯分布的隨機“抖動”技術增強分辨率*所謂“抖動”定義是一個數字信號在有效時點上距離理想時間位置的短期變化，而熱噪聲和散粒噪聲將遵守高斯分布。    采用了這種隨機“抖動”的技術,使低頻測量

11、(比如溫度和應變測量中)的1 2位DAQ設備在分辨率上的性能可以提高4倍,從而大大增強了分辨率,這是為什么？該抖動電路實際上是將小量的高斯噪聲加到信號上。直觀看起來，增加噪聲好像是違反常規的，但是如果系統(設備)給輸入的信號增加了合適的噪聲，并平均了數字化信號值，那么就可以達到比ADC芯片規定的更高的分辨率。故值此稱該“抖動”為分辨率增強技術。由于采用分辨率增強技術能使16位多功能數據采集系統(設備)的性能可提高到18位分辨率，12位設備性能表現達到14位分辨率。*輸入放大器一般通過R-C網絡與A/D相連。該網絡雖然常常被稱為濾波器，它的存在取決于來自A/D輸入電路的電流脈沖,其實際作用卻是“

12、規整”。該電路的線路參數取決于放大器和A/D的特性，且往往必須針對某項特定的應用進行優化。最佳的電容器數值通常為A/D的輸入電容的1050倍。電阻器的阻值則是以滿足應用的速度或帶寬要求為目標來選擇的。6、電纜連接與信號調理及4-20mA發送器    一些影響精度的組件，包括信號調理電路、4-20mA發送器及電纜連接，常常會被忽視。    6.1應將電纜都經過特殊設計以保護信號的完整性和精度。它們所包括的獨特設計有模擬信號與數字信號分離，模擬輸出單獨屏蔽，所有模擬輸入都采用單獨屏蔽的雙絞線，電壓線采用大導體和雙接地屏

13、蔽，如果信號在數字化之前已經被破壞那么再精確的數字化儀也毫無價值。還應提供一個普通的用螺絲固定的終端盒,該盒帶屏蔽和用于冷端補償的溫度傳感器，其可用于高精度測量的可以是一個模塊化信號調理平臺。6.2為什么信號調理平臺是獨特的關鍵技術呢？    儀器信號調理是種高性能、多通道的信號調理與開關平臺，模擬輸入模塊可以在系統與各種傳感器和信號間建立一個接口，借助高性能、低噪音的信號調理功能，來提高測量質量與可靠性，這些信號調理功能包括：高性能，低噪音的信號調理功能，如放大、隔離、多路復用、濾波、傳感器激勵、同步采樣與保持和開關等。*完整的電壓輸出橋接器傳感器調理

14、器的采用    經常采用的信號調理平臺采用何種形式是完整的電壓輸出橋接器傳感器調理器,見圖3方框所示(典型以TI-PGA309為例)。它免除了電位計和傳感器修整。利用存儲在低成本、SOT23-5封裝的外部EEPROM中的溫度系數來對跨距和失調進行數字校準。提供激勵電壓線性化、內部/外部溫度監控以及內部/外部電壓基準(包括電源)的選擇。該器件采用可設置的過壓/欠壓標度限值并具有故障檢測電路。如NI公司產的SCXI是一個模塊化信號調理是一種高性能、多通道的信號調理和矩陣開關平臺,專供數據采集卡或模塊化儀器設備使用。一套SCXI系統通常由一個或多個堅固的機箱組

15、成，內裝多個信號調理模塊，以滿足對I/O的需求。圖為SCXI和PXI組合機箱。6.3  4-20mA發送器    4-20mA發送器是提供通用型儀表放大器(1A)輸入和電流環路輸出，使得模擬信號能夠在不損失準確度的情況下進行長距離傳輸。這器件中有很多還包括定量、補償、傳感器激勵和線性化電路。如4-20mA發送器XTRl08可為RTD(電阻溫度檢測器)信號整形提供一條數字控制的模擬信號路徑。XTRl08允許通過標準的數字串行接口對傳感器和發送器誤差進行校準，從而無需采用昂貴的電位計或改變電路參數值。校準設定值可以存儲在廉價的EEPROM

16、中，以便于在常規操作過程中進行檢索。圖4為4-20mA發送器設計方案。7、高檔AD轉換器    逐次逼近寄存器(SAR)型A/D常常是具有中等采樣速率的中高分辨率應用所選擇的架構。SAR型A/D的分辨率范圍為8至18位，速率一般低于10MSPS。其特點是功耗低、外形尺寸小。在SAR型A/D中，位是由高速、高精度比較器的位逐一決定的(從最大有效位-MSB到最小有效位-LSB)。這是通過將模擬輸入與其輸出被先前確定的位所更新并逐漸逼近模擬輸入的DAC進行比較來完成的, SAR型A/D框圖如圖5所示，如ADS78xx系列14位A/D。8、結論    綜上所述,采用一系列現代技術，可為數據采集系統獲得精確度的測量。它們應具備：電壓基準；高質量電阻網絡的使用；板上溫度傳感器的采用；數字可編程增益放大器的應用；采用接高斯分布的隨機抖動；完整的電壓輸出橋接器傳感器調理器、4-20mA發送器及屏蔽電纜連接；高檔SAR型AD轉換器等項關鍵技術,其示意框圖見圖6所示。由此設計制作成的數據采集系統在采樣率為333kS/s,分辨率為16位時DC精確度為±0.8