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(jìn)行配置、校準(zhǔn)以及優(yōu)秀的軟件開發(fā)技術(shù)。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(shè)備、補(bǔ)償測量誤差以及采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)。

當(dāng)您將電子信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)，您總是希望讀數(shù)能匹配輸入信號(hào)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(yīng)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(gè)要考慮的問題是現(xiàn)場接線，根據(jù)您要采集的信號(hào)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?yàn)樗芟拥丨h(huán)路感應(yīng)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(hào)源模擬輸入方式提供了指導(dǎo)

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(jìn)行精確采集和轉(zhuǎn)換所設(shè)定的電壓范圍叫做輸入信號(hào)范圍。為得到最佳的測量精度，使模擬信號(hào)的最大最小值盡可能占滿整個(gè)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(hào)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(shí)值”的估計(jì)值，事實(shí)上您永遠(yuǎn)也無法完美地測量出真實(shí)值。這是因?yàn)槟鷾y量的準(zhǔn)確性會(huì)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(gè)測量范圍內(nèi)是均勻分布的，而且測量硬件會(huì)把實(shí)際測量值取整成最接近的數(shù)值并返回計(jì)算機(jī)內(nèi)存。事實(shí)上有許多人認(rèn)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(shí)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(huì)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(bǔ)償這部分誤差，您可以進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)。內(nèi)部校準(zhǔn)不僅能夠補(bǔ)償增益誤差還能補(bǔ)償溫度變化引起的誤差。這需要一個(gè)帶有溫度相關(guān)誤差容限的板載參考源。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和其它類型的傳統(tǒng)儀器都采用內(nèi)部校準(zhǔn)，通常也被稱為自校準(zhǔn)。

在LabVIEW中，您可以使用“E系列校準(zhǔn)VI(E-Series Calibrate VI)”來對數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)(圖2)。一旦板卡處于工作環(huán)境，經(jīng)常校準(zhǔn)能確保最精確、最穩(wěn)定及可重復(fù)的測量結(jié)果，在自校準(zhǔn)過程中可對模擬輸入和模擬輸出都能完成自校準(zhǔn)。

由于有增益前偏差、增益后偏差和增益誤差校準(zhǔn)，自校準(zhǔn)會(huì)建立一個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)集合。完成一次校準(zhǔn)之后，新的校準(zhǔn)常數(shù)將被加載到板卡的存儲(chǔ)器上。舊的校準(zhǔn)常數(shù)可以保存到EEPROM中，這樣在必要時(shí)可以重新加載。一旦板卡停止供電，如果還需要校準(zhǔn)常數(shù)，那保存工作則是非常重要的。如果沒有把校準(zhǔn)常數(shù)保存到EEPROM中，關(guān)閉計(jì)算機(jī)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(huì)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(huì)產(chǎn)生非線性誤差，這種誤差一般表示為滿量程的百分?jǐn)?shù)。到現(xiàn)在還沒有一種簡單的校準(zhǔn)方法能夠補(bǔ)償這種非線性誤差。因此仔細(xì)挑選數(shù)據(jù)采集卡是非常關(guān)鍵的。設(shè)備的相關(guān)精度表示非線性誤差的總值，相關(guān)精度定義為數(shù)據(jù)采集設(shè)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(guān)精度就可以為所有讀數(shù)建立容限。

為進(jìn)一步提高測試結(jié)果的精度，還必須補(bǔ)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(gè)值。

采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)

提高讀數(shù)精度的一種很好的軟件技術(shù)就是求平均值。求平均值的前提是噪聲和測量誤差是隨機(jī)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(gè)點(diǎn)后呈高斯分布，計(jì)算出平均值，平均值在統(tǒng)計(jì)上非常接近真實(shí)值。因此，所選取的要平均的點(diǎn)越多，平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差就越小。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)隨著樣本數(shù)量增加而減小，所以應(yīng)當(dāng)盡可能提高用于平均的采樣點(diǎn)數(shù)。

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