數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的測(cè)量誤差問題

現(xiàn)代測(cè)量很多都采用數(shù)字方式，數(shù)字本身的離散特性決定了在數(shù)據(jù)采集過程中存在一種模擬測(cè)量所沒有的量化誤差，但除了量化誤差外還有多種其它因素導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)或應(yīng)用這類系統(tǒng)時(shí)必須對(duì)此有清楚的認(rèn)識(shí)。本文介紹幾種誤差產(chǎn)生的原因與糾正方法，可供中國(guó)測(cè)試工程師們?cè)趯?shí)際工作中參考。

我們的日常工作經(jīng)常要從顯示屏幕上讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，如汽車儀表盤上用數(shù)字表示的速度、實(shí)驗(yàn)室溫度，或者是示波器上所顯示的讀數(shù)。盡管我們很相信這些測(cè)量數(shù)據(jù)，但它們絕對(duì)不是百分之百準(zhǔn)確的，汽車速度計(jì)上所顯示的速度很容易出現(xiàn)幾公里/小時(shí)的誤差，溫度測(cè)試也可能會(huì)相差好幾度。速度計(jì)上的小小誤差還不是什么大問題，但當(dāng)我們建立一個(gè)專業(yè)的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，認(rèn)識(shí)可能存在的最大誤差是非常重要的。任何數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)都存在一個(gè)局限，即代表實(shí)際測(cè)量值的數(shù)字是有限的，其最大數(shù)量由所使用的位數(shù)決定。例如一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)有28=256個(gè)可能值，如果某個(gè)速度計(jì)使用8位來表示0到255公里/小時(shí)范圍的速度，則速度值將以1公里/小時(shí)的間隔進(jìn)行顯示，因此司機(jī)總會(huì)有約0.5公里/小時(shí)的誤差，這類誤差稱為量化誤差。如果速度范圍是0到127公里/小時(shí)，那么這256個(gè)可能值就被擠入一個(gè)更小的空間，誤差也相應(yīng)減小了一半。

認(rèn)為量化誤差是僅有的測(cè)量誤差是一個(gè)危險(xiǎn)的錯(cuò)誤，但也是一個(gè)常見錯(cuò)誤。各類測(cè)量設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的產(chǎn)品資料和目錄中一般關(guān)注幾個(gè)指標(biāo)：分辨率、測(cè)量范圍、采樣率和帶寬，其中分辨率就是用來代表信號(hào)實(shí)際值的二進(jìn)制數(shù)字的長(zhǎng)度，一般從8位到24位，它只會(huì)影響量化誤差。

多功能數(shù)據(jù)采集板分辨率一般為12位和16位，量化誤差僅占整個(gè)測(cè)量誤差的很小一部分，其它還包括非線性誤差、系統(tǒng)噪聲和溫度漂移誤差，這些都可能對(duì)結(jié)果造成很大影響，具體要看板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用條件。

非線性誤差和量化有關(guān)。如上所述，量化誤差與數(shù)據(jù)采集板有效范圍除以代表測(cè)量值的二進(jìn)制數(shù)可能狀態(tài)數(shù)的結(jié)果成正比，等于相鄰測(cè)量值間隔的一半。在實(shí)際設(shè)備中，離散的各值之間距離并不總是相同的，這種現(xiàn)象造成了非線性誤差。非線性誤差非常難于校正，因?yàn)樗髮?duì)高精度信號(hào)源進(jìn)行多次測(cè)量才能完成。對(duì)線性誤差校正則比較容易，線性誤差包括增益和偏移誤差，兩個(gè)都可以很簡(jiǎn)單地憑借y=mx+b等式糾正，對(duì)一個(gè)高精度信號(hào)或已知信號(hào)源進(jìn)行一次測(cè)量足以修正線性誤差。大多插入式數(shù)據(jù)采集板都能提供這種信號(hào)以修正線性誤差，信號(hào)源的質(zhì)量和糾正難易程度因不同供應(yīng)商而有所不同。

系統(tǒng)噪聲造成信號(hào)實(shí)際值出現(xiàn)隨機(jī)偏差，噪聲類型和大小導(dǎo)致不同的測(cè)量誤差。開關(guān)電源、發(fā)熱以及其它板上信號(hào)源引起的噪聲等一般都可以歸入系統(tǒng)噪聲，有些信號(hào)源在技術(shù)上還會(huì)產(chǎn)生非隨機(jī)測(cè)量誤差。根據(jù)線路板的設(shè)計(jì)和具體情況，系統(tǒng)噪聲有時(shí)候可以改善測(cè)量的精度。

數(shù)據(jù)采集板實(shí)際上可以憑借一種稱為抖動(dòng)的技術(shù)提高分辨率，使其超出規(guī)定的指標(biāo)。抖動(dòng)有時(shí)由軟件命令控制，該技術(shù)將一個(gè)均方根振幅差不多等同于量化誤差的高斯噪聲疊加到信號(hào)上，因?yàn)樵肼暿请S機(jī)的，軟件可以在對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值時(shí)用取平均的方法將采集板規(guī)定指標(biāo)放大，從而使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，使用抖動(dòng)技術(shù)時(shí)一個(gè)12位采集板可以達(dá)到14位分辨率。你也可在高速應(yīng)用中關(guān)閉抖動(dòng)功能，這樣就不用取平均值。16位數(shù)據(jù)采集板在設(shè)計(jì)正確時(shí)實(shí)際可以執(zhí)行18位分辨率而無需抖動(dòng)，通常16位板上的自然系統(tǒng)噪聲情況比較好，可返回多個(gè)測(cè)量值取平均。

另一個(gè)經(jīng)常被忽略的是溫度漂移誤差，計(jì)算機(jī)或臺(tái)式測(cè)量?jī)x器的溫度都會(huì)發(fā)生變動(dòng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板一般工作在0到55℃溫度范圍，定制的電阻網(wǎng)絡(luò)和高精度元件可以幫助把溫度漂移維持在6ppm/℃以內(nèi)。另外，數(shù)據(jù)采集板常常會(huì)調(diào)用一個(gè)自校正函數(shù)，將溫度漂移維持在更低的水平(約0.6ppm/℃)。有些板上有溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，可用編程的方法用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)調(diào)用從該傳感器獲取信息，確保元件在規(guī)定的范圍內(nèi)工作。

完全精確的計(jì)算是非常乏味和令人頭疼的，但是對(duì)整體精確性做更進(jìn)一步了解則用不著這樣費(fèi)勁。遺憾的是，數(shù)據(jù)采集板還沒有表明整體精確性的一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐中供應(yīng)商各用不同的方法來說明精度，在極端的情況下，使用同一術(shù)語的兩個(gè)供應(yīng)商描述的可能是不同的精度度量標(biāo)準(zhǔn)，例如他們的“絕對(duì)精度”可能就是從不同的等式中得到。

將幾個(gè)主要誤差源產(chǎn)生的誤差作一個(gè)簡(jiǎn)單相加通常足以反映系統(tǒng)總體測(cè)量誤差，大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集板的手冊(cè)都會(huì)給出這些參數(shù)，但其中所用的術(shù)語和單位可能不盡相同。開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的最好方法是首先寫下誤差的最大值，即測(cè)量可允許誤差，然后選擇一些具有軟件和技術(shù)支持以便能很快開發(fā)出測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板，最后仔細(xì)閱讀手冊(cè)確保這些板達(dá)到精度要求，一個(gè)簡(jiǎn)單的通用原則是16位板大約比12位板精確10倍。數(shù)據(jù)采集板具有多種不同的總線，包括PXI、USB和PCI，它們各有不同的特點(diǎn)，一旦精度指標(biāo)確定以后，剩下的選擇最佳數(shù)據(jù)采集板的工作就變得相對(duì)容易了。