數據采集設備中測量誤差問(wèn)題

我們的日常工作經(jīng)常要從顯示屏幕上讀取測量數據，如汽車(chē)儀表盤(pán)上用數字表示的速度、實(shí)驗室溫度，或者是示波器上所顯示的讀數。盡管我們很相信這些測量數據，但它們絕對不是百分之百準確的，汽車(chē)速度計上所顯示的速度很容易出現幾公里/小時(shí)的誤差，溫度測試也可能會(huì )相差好幾度。速度計上的小小誤差還不是什么大問(wèn)題，但當我們建立一個(gè)專(zhuān)業(yè)的測量和數據采集系統時(shí)，認識可能存在的最大誤差是非常重要的。任何數字測量系統都存在一個(gè)局限，即代表實(shí)際測量值的數字是有限的，其最大數量由所使用的位數決定。例如一個(gè)8位二進(jìn)制數有28=256個(gè)可能值，如果某個(gè)速度計使用8位來(lái)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，因此司機總會(huì )有約0.5公里/小時(shí)的誤差，這類(lèi)誤差稱(chēng)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，誤差也相應減小了一半。
    認為量化誤差是僅有的測量誤差是一個(gè)危險的錯誤，但也是一個(gè)常見(jiàn)錯誤。各類(lèi)測量設備包括數據采集產(chǎn)品的產(chǎn)品資料和目錄中一般關(guān)注幾個(gè)指標：分辨率、測量范圍、采樣率和帶寬，其中分辨率就是用來(lái)代表信號實(shí)際值的二進(jìn)制數字的長(cháng)度，一般從8位到24位，它只會(huì )影響量化誤差。
    多功能數據采集板分辨率一般為12位和16位，量化誤差僅占整個(gè)測量誤差的很小一部分，其它還包括非線(xiàn)性誤差、系統噪聲和溫度漂移誤差，這些都可能對結果造成很大影響，具體要看板的設計和應用條件。
    非線(xiàn)性誤差和量化有關(guān)。如上所述，量化誤差與數據采集板有效范圍除以代表測量值的二進(jìn)制數可能狀態(tài)數的結果成正比，等于相鄰測量值間隔的一半。在實(shí)際設備中，離散的各值之間距離并不總是相同的，這種現象造成了非線(xiàn)性誤差。非線(xiàn)性誤差非常難于校正，因為它要求對高精度信號源進(jìn)行多次測量才能完成。對線(xiàn)性誤差校正則比較容易，線(xiàn)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，對一個(gè)高精度信號或已知信號源進(jìn)行一次測量足以修正線(xiàn)性誤差。大多插入式數據采集板都能提供這種信號以修正線(xiàn)性誤差，信號源的質(zhì)量和糾正難易程度因不同供應商而有所不同。
    系統噪聲造成信號實(shí)際值出現隨機偏差，噪聲類(lèi)型和大小導致不同的測量誤差。開(kāi)關(guān)電源、發(fā)熱以及其它板上信號源引起的噪聲等一般都可以歸入系統噪聲，有些信號源在技術(shù)上還會(huì )產(chǎn)生非隨機測量誤差。根據線(xiàn)路板的設計和具體情況，系統噪聲有時(shí)候可以改善測量的精度。
    數據采集板實(shí)際上可以憑借一種稱(chēng)為抖動(dòng)的技術(shù)提高分辨率，使其超出規定的指標。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上，因為噪聲是隨機的，軟件可以在對測量結果取平均值時(shí)用取平均的方法將采集板規定指標放大，從而使測試結果更加準確，使用抖動(dòng)技術(shù)時(shí)一個(gè)12位采集板可以達到14位分辨率。你也可在高速應用中關(guān)閉抖動(dòng)功能，這樣就不用取平均值。16位數據采集板在設計正確時(shí)實(shí)際可以執行18位分辨率而無(wú)需抖動(dòng)，通常16位板上的自然系統噪聲情況比較好，可返回多個(gè)測量值取平均。
    另一個(gè)經(jīng)常被忽略的是溫度漂移誤差，計算機或臺式測量?jì)x器的溫度都會(huì )發(fā)生變動(dòng)，計算機系統中的數據采集板一般工作在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?xún)�。另外，數據采集板常常�?huì )調用一個(gè)自校正函數，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量環(huán)境溫度，可用編程的方法用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數調用從該傳感器獲取信息，確保元件在規定的范圍內工作。
    完全精確的計算是非常乏味和令人頭疼的，但是對整體精確性做更進(jìn)一步了解則用不著(zhù)這樣費勁。遺憾的是，數據采集板還沒(méi)有表明整體精確性的一個(gè)通用標準，實(shí)踐中供應商各用不同的方法來(lái)說(shuō)明精度，在極端的情況下，使用同一術(shù)語(yǔ)的兩個(gè)供應商描述的可能是不同的精度度量標準，例如他們的“絕對精度”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總體測量誤差，大部分數據采集板的手冊都會(huì )給出這些參數，但其中所用的術(shù)語(yǔ)和單位可能不盡相同。開(kāi)發(fā)測試系統的最好方法是首先寫(xiě)下誤差的最大值，即測量可允許誤差，然后選擇一些具有軟件和技術(shù)支持以便能很快開(kāi)發(fā)出測量系統的數據采集板，最后仔細閱讀手冊確保這些板達到精度要求，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。數據采集板具有多種不同的總線(xiàn)，包括PXI、USB和PCI，它們各有不同的特點(diǎn)，一旦精度指標確定以后，剩下的選擇最佳數據采集板的工作就變得相對容易了。