測(cè)量精度的五大迷思

前言

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，測(cè)量精度是評(píng)估其性能的一個(gè)重要參數(shù)，也是科學(xué)家們不斷努力希望提高的一個(gè)指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，很多工程師都會(huì)面臨測(cè)量精度的各種問(wèn)題：它與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率有什么區(qū)別?哪些因素會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)量噪聲?對(duì)于工程師而言，又有哪些實(shí)用的技巧可以幫助提高這個(gè)指標(biāo)?這些都是值得深究的問(wèn)題。

在本文中，將針對(duì)測(cè)量精度最常見(jiàn)的五個(gè)問(wèn)題予以詳細(xì)的說(shuō)明與解答。

迷思一：分辨率=測(cè)量精度嗎

市面上12位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度都是一樣的嗎?這個(gè)問(wèn)題困擾了不知多少工程師，而其實(shí)質(zhì)就是分辨率與精度的概念區(qū)別。

分辨率通常指的是最大的信號(hào)經(jīng)采樣后可以被分成的最小部分，例如帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)采卡，當(dāng)輸入電壓范圍為±10V(即Vpp=20V)，那么它所能分辨到的最小電壓就是20V/(212)=4.88mV。

相對(duì)而言，精度的概念是指測(cè)量值與“真實(shí)”值之間的最大偏差的絕對(duì)值。如圖1所示，信號(hào)在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會(huì)受到參考量隨時(shí)間、溫度的飄移誤差、隨機(jī)誤差、非線(xiàn)性誤差、增益誤差等影響，這些影響綜合之后對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響就是我們所說(shuō)的測(cè)量精度。

圖1 誤差的來(lái)源

因此，對(duì)于工程師而言，除了AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，更重要的是需要了解自己所購(gòu)買(mǎi)的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度指標(biāo)，有時(shí)一塊16位的數(shù)據(jù)采集卡的精度可能還不如一塊設(shè)計(jì)良好的12位數(shù)據(jù)采集卡的精度。圖2所示的NI 628X系列技術(shù)參數(shù)表中就詳細(xì)列出了像增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值以及綜合之后的絕對(duì)精度值，提供給客戶(hù)以完整的信息，確保最終測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖2 NI 628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度表

迷思二：別讓信號(hào)輸在起跑線(xiàn)上

很多工程師會(huì)選用最高性能的數(shù)據(jù)采集卡，但是對(duì)于線(xiàn)纜和接線(xiàn)端子，則并不予以重視，而使用相對(duì)較低成本的產(chǎn)品。這種做法本身就是錯(cuò)誤的，因?yàn)槿绻€(xiàn)纜和接線(xiàn)端子的質(zhì)量不佳，那么在信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前就已經(jīng)受到了很大的噪聲干擾，真正地讓信號(hào)輸在了“起跑線(xiàn)”上，即使后端的采集精度再高也已經(jīng)于事無(wú)補(bǔ)。而為了防止這種情況的發(fā)生，使用帶屏蔽功能的線(xiàn)纜與接線(xiàn)端子是有效的方法。

以前使用的線(xiàn)纜和接線(xiàn)端子都是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)屏蔽設(shè)計(jì)的(圖3上面部分)，如今很多數(shù)據(jù)采集廠(chǎng)商(例如NI)都推出了帶屏蔽的線(xiàn)纜與接線(xiàn)端子，此外雙絞線(xiàn)的設(shè)計(jì)還可以有效避免通道間的互相干涉，從圖中線(xiàn)纜的切面圖中也可以看到(圖3右下)，線(xiàn)纜為模擬信號(hào)線(xiàn)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了3層的屏蔽。

圖3 線(xiàn)纜與接線(xiàn)端子

此外，換一種思路，如果整個(gè)系統(tǒng)根本就沒(méi)有線(xiàn)纜的話(huà)，那么豈不是可從根本上解決物理噪聲引入的問(wèn)題了?可喜的是，隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)最初的設(shè)想已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等無(wú)線(xiàn)協(xié)議的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世，從而幫助工程師們擺脫線(xiàn)纜的困擾，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的協(xié)議加密技術(shù)，可以大大降低信號(hào)的引入噪聲。

迷思三：什么是接地環(huán)路

假設(shè)我們有一個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表，將兩個(gè)探頭分別連在一間屋的兩個(gè)插座的地上，你覺(jué)得萬(wàn)用表的讀數(shù)是不是0?當(dāng)然，答案顯然不是0，這是由于線(xiàn)纜本身具有內(nèi)阻值，以及功率分配波動(dòng)等影響因素，兩個(gè)地之間總會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，因此真正絕對(duì)意義的地并不存在。

那么，如果我們?cè)跍y(cè)試電路中，將兩個(gè)地連在一起之后，由于電勢(shì)差的產(chǎn)生，那么就會(huì)產(chǎn)生電流，這也就是我們所說(shuō)的“接地環(huán)路”現(xiàn)象。

接地環(huán)路會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果，例如，在圖4所示的電路中，為了能夠長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)一個(gè)電機(jī)的溫度，在電機(jī)上連上一個(gè)熱電偶傳感器，由于電機(jī)箱是接地的，因此熱電偶也接地，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備地與電機(jī)箱地之間存在電勢(shì)差，因此產(chǎn)生了電流。你可以注意到，加在測(cè)試信號(hào)的噪聲可能是交流的，或者一個(gè)簡(jiǎn)單的直流偏移值，但最終無(wú)可避免地影響了測(cè)試精度。

圖4 接地環(huán)路影響測(cè)試結(jié)果

為了避免接地環(huán)路，需要選擇合適的接地模式，特別是在測(cè)量一個(gè)接地傳感器時(shí)，應(yīng)該盡量避免使用單端輸入方式(RSE)，這種方式會(huì)直接在數(shù)據(jù)采集設(shè)備與傳感器地間產(chǎn)生電流。如果使用的是差分方式(DIFF)，由于電路為開(kāi)路，因此電流被制止，從而較好地抑制了接地環(huán)路。當(dāng)然，相比于差分，通過(guò)隔離技術(shù)(見(jiàn)圖5)，可以在不讓兩個(gè)地相連，分隔數(shù)據(jù)采集設(shè)備地的同時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)值的傳輸，從而從根本上解決了環(huán)路問(wèn)題.

圖5 隔離技術(shù)解決接地環(huán)路問(wèn)題

迷思四：軟件的作用

作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件在其中的作用日益得到重視，它除了可以為整個(gè)系統(tǒng)提供靈活性與可擴(kuò)展性之外，還可以利用軟件對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行后處理，從而提高測(cè)量結(jié)果的正確性。

最常用的就是軟件濾波技術(shù)，如果事先對(duì)所測(cè)得的信號(hào)情況已有一定的了解(例如知道信號(hào)中被引入了50Hz的電源噪聲)，那么就可以針對(duì)性地對(duì)其后處理，從而還原更真實(shí)的信號(hào)。相比于傳統(tǒng)的硬件級(jí)濾波，軟件具有簡(jiǎn)單、靈活并且成本低廉等優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)，CPU日益提升的處理速度也已可完全勝任任何的濾波算法處理。

圖6就是使用NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件濾波的實(shí)例，當(dāng)信號(hào)具有一定噪聲時(shí)，通過(guò)LabVIEW自帶的濾波器VI，對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除掉25Hz以上的噪聲，從而得到原始信號(hào)(Fitered Signal)。

圖6 使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)軟件濾波

當(dāng)然，軟件所能發(fā)揮的作用遠(yuǎn)非如此。在很多前沿應(yīng)用時(shí)，一些原始的信號(hào)對(duì)研究來(lái)說(shuō)也可能是噪聲(例如對(duì)虎鯨叫聲的分析時(shí)，海水的聲音就是一種噪聲)，對(duì)于這些問(wèn)題，如果在軟件中使用一些高級(jí)的信號(hào)處理算法(例如聯(lián)合時(shí)頻分析、小波分析等)就可以解決。例如，利用聯(lián)合時(shí)頻分析的高級(jí)算法，在 LabVIEW下成功截取到虎鯨的叫聲，而將海水的聲音與其他噪聲都去除。因此，可以預(yù)見(jiàn)的是，軟件在數(shù)據(jù)后處理方面將起到舉足輕重的作用，從而幫助工程師得到自己所需要的信號(hào)與數(shù)據(jù)。

迷思五：重視校準(zhǔn)

“時(shí)間能夠沖淡一切”，這句話(huà)用于測(cè)試系統(tǒng)也同樣受用，我們知道，時(shí)間的推移(持續(xù)工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響)都會(huì)讓任何儀器中的電子器件的精度產(chǎn)生偏差，從而給測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在，就是必須定期對(duì)儀器和板卡進(jìn)行校準(zhǔn)。

一般而言，校準(zhǔn)就是將儀器的當(dāng)前性能與已知的標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)儀器測(cè)量能力的調(diào)整，確保其測(cè)量精度在廠(chǎng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。要想完成對(duì)一個(gè)儀器的外部校準(zhǔn)，可以將其送回原廠(chǎng)，或者送至一個(gè)校準(zhǔn)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。另一方面，在選擇儀器的時(shí)候，工程師們需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)時(shí)間間隔這個(gè)參數(shù)，這可以大大減少自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)成本。

當(dāng)然，作為一種在校準(zhǔn)周期內(nèi)改善儀器測(cè)量精度的方法，某些廠(chǎng)商的板卡或儀器還包含了非常實(shí)用的自校準(zhǔn)功能，它們含有精確的電壓參考源等硬件資源，可以隨時(shí)快速地校準(zhǔn)該儀器，從而減少因環(huán)境等因素造成的測(cè)量誤差。

結(jié)論

幾乎所有的工程應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度都有著很?chē)?yán)格的要求。它的概念并非分辨率那么簡(jiǎn)單，還涉及到很多其他影響因素(線(xiàn)纜、接線(xiàn)端子、接地環(huán)路現(xiàn)象等)，通過(guò)合理的布置與屏蔽可以抵制測(cè)量噪聲的引入，也可以通過(guò)軟件進(jìn)行針對(duì)性的后處理，從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)然，為了避免時(shí)間的影響，定時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)也是不容忽視的問(wèn)題。