數(shù)據(jù)采集測量結(jié)果改善的常用校正方法

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

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

根據(jù)應用需求，您必須首先要明確數(shù)據(jù)采集卡所需的模擬輸入、輸出通道以及數(shù)字I/O線的最少數(shù)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。

第一個要考慮的問題是現(xiàn)場接線，根據(jù)您要采集的信號源類型，您可以使用差分、非參考單端、參考單端三種輸入方式來配置數(shù)據(jù)采集卡。

總的說來，差分測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集通道數(shù)，可是僅適用于引入誤差比數(shù)據(jù)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(shù)也是非常重要的。保證數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品進行精確采集和轉(zhuǎn)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整個ADC(+/-10V或0-10V)范圍，這樣就可使測量結(jié)果充分利用現(xiàn)有的數(shù)字位。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)，輸入5V信號得到的采集結(jié)果。請注意：選取合適的增益系數(shù)能夠充分利用ADC并改善您的測試結(jié)果。

任何測量結(jié)果都只是您要測量的“真實值”的估計值，事實上您永遠也無法完美地測量出真實值。這是因為您測量的準確性會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(nèi)，16位數(shù)據(jù)采集卡有216(65536)種數(shù)值，而12位數(shù)據(jù)采集卡有212 (4096)種數(shù)值。理想情況下，這些數(shù)值在整個測量范圍內(nèi)是均勻分布的，而且測量硬件會把實際測量值取整成最接近的數(shù)值并返回計算機內(nèi)存。事實上有許多人認為，這種取整誤差(通常稱為量化誤差)是決定精度的唯一因素。實際上，這種量化誤差，在 12位多功能數(shù)據(jù)采集卡中只占總誤差的35%，而在類似的16位卡中就更微不足道了。不管您使用12位還是16位數(shù)據(jù)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(shù)字轉(zhuǎn)換特性，都會產(chǎn)生增益誤差。這種誤差通常以總讀數(shù)的百分比表示。為了補償這部分誤差，您可以進行內(nèi)部校準。內(nèi)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。這需要一個帶有溫度相關誤差容限的板載參考源。數(shù)據(jù)采集設備和其它類型的傳統(tǒng)儀器都采用內(nèi)部校準，通常也被稱為自校準。

在LabVIEW中，您可以使用“E系列校準VI(E-Series Calibrate VI)”來對數(shù)據(jù)采集設備進行校準(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(wěn)定及可重復的測量結(jié)果，在自校準過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，自校準會建立一個校準常數(shù)集合。完成一次校準之后，新的校準常數(shù)將被加載到板卡的存儲器上。舊的校準常數(shù)可以保存到EEPROM中，這樣在必要時可以重新加載。一旦板卡停止供電，如果還需要校準常數(shù)，那保存工作則是非常重要的。如果沒有把校準常數(shù)保存到EEPROM中，關閉計算機之后這些數(shù)據(jù)就丟失了。

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

為進一步提高測試結(jié)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(nèi)是不變的，因此，糾正起來相對容易些。您可以先測量短路通道的偏移誤差，然后用以后的讀數(shù)減去這個值。

采用優(yōu)秀的軟件技術

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

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