數(shù)據(jù)采集設備中的“即測即用”是高精度測量的新技術

1、前言

多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ) 設備結(jié)合了模擬前端，靈活的定時和觸發(fā)ASlC以及總線接口ASlC，從而改善和優(yōu)化了最新的現(xiàn)有商業(yè)化數(shù)字技術。利用這些DAQ設備再結(jié)合信號調(diào)理產(chǎn)品，可以創(chuàng)建確保精度的DAQ系統(tǒng)。這就是在數(shù)據(jù)采集設備中應用了“即測即用”高精度測量的新技術的結(jié)果。也稱之為“即測即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready DAQ)設備。由于“即測即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready DAQ)為獲得絕對精度而進行了優(yōu)化，具有了如下特性：

卓越的模擬電路設計：具有低于20μV的系統(tǒng)噪聲和其它硬件規(guī)格，無論是小信號還是大信號，都可以進行精確測量；

全面的信號調(diào)理選擇：具有隔離、濾波、激勵和電流測量模塊，可將其連接到任意類型的傳感器上；

完整的校準選擇：一個板載高精度信號源可以通過簡單的軟件調(diào)用對板卡重新進行校準，以減少溫度變化和時間積累所引起的精度誤差。

作為“即測即用”-多功能數(shù)據(jù)采集設備，其重要的是它的精度特征，即高質(zhì)量測量性能與信號調(diào)理精度特征，為此本文將對此問題迸行討論與分析，因為它關系到數(shù)據(jù)采集糸統(tǒng)的根本。

值此首先需要說明的是何謂多功能DAQ數(shù)據(jù)采集？

多功能DAQ-多功能DAQ指的是數(shù)據(jù)采集硬件，它能在單個設備上提供多種功能：模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和定時I/O。

而數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量如光、溫度、壓力或聲音這樣的物理現(xiàn)象?；赑C的數(shù)據(jù)采集結(jié)合了硬件，軟件和計算機來進行自動化測量、分析測量數(shù)據(jù)。

2、即測即用”數(shù)據(jù)采集設備精度特征關鍵-高質(zhì)量測量性能

2.1“量化誤差”理念的引入

各種各樣的傳感器，最終都將物理參量轉(zhuǎn)換為可以通過電線傳送的電信號。當將這些電線連接到數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡、數(shù)字萬用表(DMM)、或任何其它類型的測量硬件上的時候，肯定希望讀取到的就是線上傳輸過來的精確的數(shù)值?？赏残枰f明，沒有一種測試硬件是完美的。因此必然要考慮能夠接受的最大誤差值是多少呢?

當今許多設計人員在評估DAQ產(chǎn)品的優(yōu)劣時，往往只考慮它的精度位數(shù)。例如，認為使用16位精度的DAQ設備，用戶可得到 個可能的數(shù)據(jù)點。這65536個值均勻地分布在一個電壓范圍內(nèi)，而任何一個采樣得到的信號都會被圓整到這些值的其中一個。在此圓整過程中所產(chǎn)生的誤差就叫“量化誤差”。DAQ設備精度上的量化誤差僅僅是造成測試結(jié)果誤差原因中的極小部分。由于硬件設計的不同，其它類型的誤差將呈現(xiàn)極其多種的形式。“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備可以最大程度上減少各種類型的誤差可能。這些都是可能導致誤差的原因，在選購任何一種硬件設備，例如DAQ設備時，都需認真考慮。

2.2即測即用”數(shù)據(jù)采集設備能將溫度漂移大大縮小

DAQ設備的精確度會隨著它溫度的改變而發(fā)生變化。“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備能將因溫度變化引起的誤差縮小到最小范圍，這是因它在設計上有如下幾點優(yōu)勢：高品質(zhì)的元部件：能在很大的溫度范圍內(nèi)保持數(shù)值的穩(wěn)定；補償元件：可以為其它部件產(chǎn)生逆向誤差，從而有效地中和誤差；板載溫度傳感器：可隨時供編程或操作人員用來評估設備當前溫度。

舉例說明

由于設計中的諸多考慮，當溫度變化1℃時，16位精度的“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備所讀取的數(shù)據(jù)變化僅為0.0006%以下。這種抗溫度變化的性能，確保了在溫度發(fā)生漂移時的讀數(shù)準確性。

當環(huán)境溫度變化15℃時，您的DAQ設備的精度可能發(fā)生顯著的變化。如NI PCI-6052E漂移18μV，而Analog Device公司AD291E級精度參考電壓在±200mV范圍內(nèi)漂移24μV。看出將AD291E級精密參考電壓與發(fā)生溫度漂移的PCI-6052E上的溫度漂移所進行比較時，DAQ設備也表現(xiàn)出25％的精度改善。

2.3以很小穩(wěn)定時間達到一定的精確

穩(wěn)定時間指的是DAQ設備為達到一定的精確度并保持這一特定的精確度所需的一小段時間。無論要求怎樣的增益和采樣率，“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備都可以確保根據(jù)要求穩(wěn)定下來。如圖1顯示了12位E系列DAQ卡最差的穩(wěn)定時間范圍。在電壓范圍為10V時，此設備的量化誤差為1.22mV。需要注意，量化誤差只是整體測量誤差的一小部分。

舉例說明

因多路傳輸DAQ設備上的儀器放大器必須能夠在較高的增益和采樣速率下從具有不同電壓水平的多個通道獲取精確的讀數(shù)。由于這些要求，大部分市售儀器放大器均具有DAQ設備所需要的精度。如NI PCI-6052E經(jīng)過4μS穩(wěn)定在0.305mV的范圍內(nèi)，而采用線性技術LT1102高速、精確儀器放大器在同樣長的時間內(nèi)卻穩(wěn)定在2.5mV的范圍內(nèi)。即使在把一個精密儀器放大器與PCI-6052E上的所有元件包括儀器放大器在內(nèi)的穩(wěn)定時間進行比較時，DAQ設備也表現(xiàn)出87.7%的精度改善。

2.4“抖動”的硬件技術使偏大和偏小的系統(tǒng)噪聲接近

噪聲諸如熱或電等因素的干擾都會引起測量值偏離實際的被測信號，其偏移值被稱為噪聲層。由于“即測即用”數(shù)據(jù)采集(Measurement Ready DAQ)設備具有高性能元部件，加上其設計上的正確屏蔽、接地因素的周密考慮，這一切優(yōu)秀品質(zhì)使得設備的噪聲最小化。圖2展示的是一般的DAQ設備與“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備在讀取7.5VDC高穩(wěn)定信號時的差異。

噪聲層越低越好，但這只適用由于噪聲導致的誤差在理想的數(shù)據(jù)上下等同的情況之下。當搜集到一些數(shù)據(jù)并想算出其平均值時，這些數(shù)據(jù)卻普遍偏高，這時，得出的結(jié)果會怎樣，自然是數(shù)據(jù)偏高”。“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備采用一種叫做“抖動”的硬件技術，解決了此類問題。“抖動”使得對信號產(chǎn)生影響的噪聲偏大和偏小的可能性接近。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，此技術增強了該檢測設備的精確性：抖動技術的使用不需使用者做任何工作，也不需要任何專業(yè)知識。

2.5能最小化了非線性誤差所帶來的影響

“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備采用最優(yōu)的組件，這使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中最常出現(xiàn)的誤差最少化了。ADC的最常見誤差主要分兩類：即線性和非線性誤差。線性誤差包括增益誤差和偏移誤差。這兩種誤差可相對方便的用一個簡單的線性公式得以糾正。“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備的自校準功能可以自動地校準線性誤差。

然而，非線性誤差由于其難以在軟件中糾正，將此類誤差量小化則在設備的設計中顯得猶為重要。非線性誤差包括微分非線性(DNL)和積分非線性(1NL)。如圖3所示，微分非線性指的是DAQ設備在檢測不同電壓高低時的差異；積分非線性是微分非線性誤差的總和。高質(zhì)量的組件與優(yōu)越的板卡設計相結(jié)合，最小化了非線性誤差帶來的影響。

除了熟知的增益和偏移等一階誤差之外，INL&DNL等高階線性誤差也可對精度造成極大的影響，即使公認DAQ設備的精度由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度所決定，但根據(jù)將模擬教宇轉(zhuǎn)換器集成到電路板設計中所采用方式的不同，還可能出現(xiàn)許多誤差源。

2.6 ”即測即用”數(shù)據(jù)采集設備的校準

電子元件會隨著時間和環(huán)境的變化發(fā)生漂移。隨著時間的流逝和環(huán)境的改變，電子器件的性能會受到影響；例如，某DAQ系統(tǒng)在25%時讀數(shù)為2 .00V，而一年之后，即使在同樣溫度下，讀數(shù)就可能變?yōu)?.01V了。為補償此類漂移，需要對DAQ設備進行定期的調(diào)整或校準，當對“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備進行校準時，將測試結(jié)果與已知的標準值作比較。若測量結(jié)果不在規(guī)格之內(nèi)，則該設備就必須進行一定的調(diào)整。校準有如下步驟：

*檢查DAQ設備的當前運作是否在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)；

*若超出允許的范圍，必須做一定的調(diào)整；調(diào)整之后，再次檢查DAQ設備的運作是否符合規(guī)定；

*發(fā)布校準證書，說明該設備已經(jīng)與可溯源標準比較，可在規(guī)定范圍內(nèi)操作。

“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備具有高精度的板上電壓源，使得間歇性的自校準成為可能。自校準過程只需要軟件的一個命令即可，無須其他信號連接，也無須多余操作。所有的“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備出廠時都附有可溯源校準證書。

在使時間漂移量降至最低的過程中，也需要使用同樣精確的參考電壓使您的DAQ設備隨著環(huán)境溫度變化保持穩(wěn)定。當范圍為±200mV時，PCI-6052E在一年的時間里漂移了88.8μV，而Analog Devices公司的AD291精確電壓參考在同樣的時間內(nèi)漂移達740μV。即使當將一個精密電壓參考與一個發(fā)生時間漂移的PCI-6052E上的所有部件相比較時，設備也表現(xiàn)出88%的精度改善。

3、關于信號調(diào)理精度特征

3.1何謂信號調(diào)理？

信號調(diào)理是完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵組成部分。它能通過放大、隔離、濾波或多路復用來提高系統(tǒng)性能和可靠性。對于某些傳感器，如RTD，必須要有作為激勵源的信號調(diào)理。

信號調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。許多傳感器都要求使用專門信號調(diào)理技術，而沒有哪種DAQ設備能為所有的傳感器提供各種類型的信號調(diào)理功能。比如說，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號，它還需要進一步的放大、過濾、以及線性化等處理。

3.2多通道系統(tǒng)(SCXl)與緊湊信號調(diào)理系統(tǒng)(SCC)

SCC當今不少著名公司已經(jīng)開發(fā)出能適合您獨特數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號調(diào)理平臺，包括支持智能TEDS傳感器，靈活的信號連接選項，模塊化和軟件配置功能。這些可選的設備包括用于便攜式應用的緊湊信號調(diào)理系統(tǒng)(SCC)以及用于高通道數(shù)大型應用的堅固的多通道系統(tǒng)(SCXl)。

其SCXI是多用途，高性能的信號調(diào)理平臺。無論是用于包含插入式儀器還是DAQ設備的信號調(diào)理前端系統(tǒng)，或者基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．SCXI是專為要求大中規(guī)模、多通道數(shù)，堅固封裝以及高性能的信號調(diào)理和通路開關的切換過程中，提供廣泛選擇范圍的應用方案而設計的。SCXI包含了完整的模塊，可以對諸如熱電偶、FITD、應變儀、負載單元、壓力傳感器、加速度計。LVDT、高壓輸入、電流輸入、模擬輸出、數(shù)字信號等廣泛的信號類型進行放大、濾波、衰減、隔離和多路復用。SCXI也能提供通用功能和多路復用器外巨陣開關解決方案。

SCXI(如圖4所示)用于解決中高通道數(shù)信號調(diào)理應用問題?？梢詫⒏鞣N信號調(diào)理模塊混合匹配使用，并把他們安裝在一個SCXI機箱里面。只要將這一機箱與“即測即用”數(shù)據(jù)采集設備連接，所有的模塊即可被自動植測井加入到DAQ配置軟件中。

而SCC，對于便攜式低通道數(shù)應用-可達到16個模擬輸入通道和8個數(shù)字I/O通路-SCC對每個通道提供模塊化．靈活的信號調(diào)理。SCC所提供的信號調(diào)理用于廣泛的輸入．包括熱電偶、FITD、加速計、應變儀、需要隔離的模擬輸入、高壓(到100V)、電流(0到20mA)和光隔離數(shù)字I/O，SCC也有低通濾波和面包板模塊可選。這些模塊可插入小型的SC-2346屏蔽盒(能包含20個模塊)或可配置傳感器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)連接器的SC-2360屏蔽盒(能包含10個模塊)，并通過電纜直接和M系列，E系列或基礎級的多功能數(shù)據(jù)采集設備相連。

SCC是適用于低通道應用便攜式信號調(diào)理平臺。不象SCXl一個模塊同時處理一組信號，SCC平臺為每一個信號提供單獨的模塊。SCC平臺還提供了切換開關、LED，以及BNC和LEMO等常用的連接端于。無論是SCXI，還是SCC平臺都有用于測量、激勵、隔離和過濾的模塊。圖5是SCC系統(tǒng)的展示圖。

3.3、傳感器即插即用技術

傳感器即插即用技術減少了傳感器配置的時間和難度。IEEE 1451.4定義了具備模擬信號接口的傳感器特性的自我描述機制，該機制通過傳感器電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)文件來描述傳感器的自身特性。TEDS文件被保存在傳感器上的嵌入式存儲器芯片中或者可從數(shù)據(jù)庫中下載，它為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了傳感器必要的配置、換算和校準信息，減少了配置時間．提高了測量精度。圖6為基于硬件支持智能TEDS傳感器示意圖。

即插即用傳感器傳感器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)包括：傳感器制造商，序列號，測量范圍，校準信息及用戶信息(特定區(qū)域)。

3.4 SCXI與SCC信號調(diào)理精度特色

一個高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應該結(jié)合所需的信號調(diào)理技術，從而避免降低您所定制的解決方案的測量精度，功能和靈活性。通過對SCXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行配置，它可以接收廣泛的傳感器和信號類型，并且能為了今后的應用而輕松地再次配置或擴展。

針對低通道數(shù)和便攜式測量系統(tǒng)SCC能夠在一個緊湊、小巧的盒子中進行信號調(diào)理．特別適合16個或少于16個模擬輸入通道的應用。