數(shù)據(jù)采集和儀器：數(shù)據(jù)處理和校準

在本文的第一部分《數(shù)據(jù)采集和儀器：DAS和傳感器》中，我們研究了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中涉及的電子技術(shù)和傳感器。在第二部分中，我們將了解獲取原始ADC數(shù)據(jù)后該如何處理。

采集和處理策略

圖1所示為通道數(shù)據(jù)處理塊圖。每個方塊代表一個具有輸入和輸出量的函數(shù)(或“曲線”)。待測量的通道輸入量X由傳感器轉(zhuǎn)換成傳感器電量S，比如電阻或電壓。傳感器電路(比如電橋)對傳感器做出響應(yīng)并產(chǎn)生電壓V?？删幊淘鲆娣糯笃靼丛鲆鍳放大V，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，得到VxG。然后A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字計數(shù)W。

圖1：通道數(shù)據(jù)處理塊圖。

PGA和ADC一起帶來偏移和增益(斜率)誤差。如果PGA和ADC是線性的，則可以通過下一個方塊U(W)(或LXFM)在軟件中進行誤差糾正。它使用通道校準參數(shù)將原始數(shù)據(jù)計數(shù)W轉(zhuǎn)換為U=V，使U表示與V相同的值。換句話說，U(W)反轉(zhuǎn)、“撤消”或線性“補償”PGA和ADC組合造成的線性誤差。通過數(shù)學公式可將其設(shè)置為：

用數(shù)學函數(shù)表示F(G)，F(xiàn)是G的函數(shù)，即F是輸出，取決于輸入G。U(W)是線性變換，不能補償非線性傳感器或傳感器電路，它只能反轉(zhuǎn)線性函數(shù)。在傳感器和電路都是非線性的情況下，U(W)僅能校正線性誤差，U(W)設(shè)定為等于V。

對于非線性傳感器或電路，第一個非線性補償方塊Z(U)可補償傳感器電路的非線性，并設(shè)置為V–1(S)=S(V)。最后一個方塊用來補償傳感器的非線性，它基于制造商的傳感器曲線Y(Z)，對應(yīng)于實際傳感器的X(S)=S–1(X)。

總的來說，每個軟件處理塊執(zhí)行模擬DAS塊的反轉(zhuǎn)，以便在給定W的情況下，通過撤消每個DAS塊對X進行的操作來恢復(fù)X。

例如，考慮電橋電路中的單個RTD溫度傳感器。X是溫度，單位為oC。RTD電阻隨溫度變化而改變，產(chǎn)生R(X)。橋電路電壓隨R(X)非線性變化，根據(jù)分壓器公式產(chǎn)生輸出電壓V(R)：

其中Rbr是分壓器上電阻，R是傳感器(下)電阻，Vbr是橋電壓。DAS將該電壓數(shù)字化并輸出數(shù)字代碼W(V)。然后U(W)以數(shù)字形式補償DAS，使U=V。接下來，將U應(yīng)用于第一非線性功能模塊R(U)。它使用上面的分頻器公式將計數(shù)U轉(zhuǎn)換為RTD的電阻。(由于分頻器公式的動態(tài)范圍很大，經(jīng)常使用浮點數(shù)學計算，因此返回的電阻值是浮點值。)下一個非線性塊將電阻轉(zhuǎn)換為溫度，單位為oC，是函數(shù)T(R)。這是制造商給出的傳感器曲線。Y(Z)可以反轉(zhuǎn)傳感器函數(shù)，從而使其線性化。這個例子的目標是通過下面的等式實現(xiàn)Y=X：

橋電壓補償

傳感器電橋電路的靈敏度與電橋電壓成正比。電橋輸出電壓V(Vbr,R)取決于傳感器輸出量(即電阻)，S=R，以及橋電壓Vbr。它可以表示為：

圖3示出了該函數(shù)。

圖2：傳感器橋電路的靈敏度與電橋電壓成正比。

“x”乘法器模塊是一個附加模塊，它是通過將U(W)分成兩個模塊來補償?shù)?，如圖3所示。

圖3：“x”乘法器模塊通過將U(W)分成兩個模塊來補償。

U(W)補償W(B)，使得U=B(R)。此外，由電橋補償軟件執(zhí)行的U(V)用校準值補償電橋中的電壓漂移。Vbr通過橋電壓通道測量。最后的測量值及其校準值Vbr0用于形成補償?shù)谋壤蜃印?/p>

線性校準

兩點校準假設(shè)傳感器和DAS增益是線性的。例如，如果應(yīng)力傳感器增益為1V/kN，它隨所施加的應(yīng)力大小而變化，因此是非線性的。為得到線性變換的偏移和斜率U(W)，即DAS的線性部分，μC編程通過所獲得的兩個數(shù)據(jù)點構(gòu)造了一條線，如圖4所示。w軸是原始數(shù)據(jù)，即ADC的數(shù)字化計數(shù)。u軸是按給定單位處理過的數(shù)據(jù)。利用已知輸入值u1和u2進行兩次測量。ADC原始數(shù)據(jù)計數(shù)輸出為w1和w2。

圖4：μC編程通過所獲得的兩個數(shù)據(jù)點構(gòu)造了一條線。

然后我們得到兩個方程，可以求解斜率m和偏移量b：

由此得到兩點校準的公式：

其中參數(shù)m和b用于將原始數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為處理值，其單位是校準期間使用的單位。對于b，可以使用右側(cè)表達式，也可以將兩者平均。

對于一點校準，b=0(假設(shè)沒有偏移誤差)，默認情況下第二個數(shù)據(jù)點是原點(0,0)，只有斜率需要校準。

結(jié)語

DAS(或DAQ)已經(jīng)成為電子行業(yè)的一個細分領(lǐng)域，它涉及模擬和數(shù)字波形處理。DAS采集和處理的常見策略是“撤消”處理功能或執(zhí)行采集功能的反轉(zhuǎn)，這些功能必須通過模擬電路實現(xiàn)，因為有些是非線性的。模擬采集的每個階段都對應(yīng)一個處理階段，以便系統(tǒng)在ADC處可以自動反轉(zhuǎn)，采集階段由處理階段鏡像，處理階段可以撤消它們所做的事情，直到檢測到的數(shù)量本身就是整個過程的剩余部分。