摘要: 本文需要讨论分折确保数据采集的测量精确度应注意的有关技术问题
关键词：精确度 分辨率 基准 漂移 信号调理
对数据采集测量来说,精度是反映一个数据采集设备读入的信号测量值有多大程度的真实性。不精确的测量可能会使开发项目与方案设计及产品质量或自动化测试应用等费工费时全功尽弃，因此确保数据采集系统的精度是设计方案的主要问题。
但现实中,人们往往将精度与分辨率混淆。其实分辨率表示的是数据采集系统所能检测的最小信号变化量。实际上一个项目或设备的整体精度和分辨率取决于增益、偏置和时间等运行环境因素。一个数据采集设备的分辨率仅仅与模数转换器芯片的分辨率部分相关。若用12位分辨率的A/D转换器未必意味者你的系统将具有 12位的精度；数据采集设备使用了一片16位的ADC芯片，但由设计不合理，则该设备性能的表现却相当于12位的分辨率，而且精度很差。很多时候，令工程师们吃惊和不解的是，数据采集系统所表现出的性能往往远低于期望值。如果不精确的测量问题直到样机运行或批量生产时才被发现，那么整个开发项目与方案设计及产品质量或自动化测试应用等会全功尽弃。因此确保数据采集系统的测量精度是重中之重。
当今，对数据采集来说, 其测量的精度取决于包括传感器、信号调理，电缆连接和数据采集硬件设备等众多因素，也就是说，注意应用上述一系列技术问题是解决精确测量的关键。那末采用哪几项技术,能保证实现数据采集的精确测量呢？这是本文需要讨论分析的。
1、 电压基准是首位
电压基准是精密模拟产品的保证，但采用外部电压基准的最大潜在误差源是参考电压。为了解决基准所带来的误差源，应从以下几点着手,即拓扑结构与温度漂移及输出噪声。
1.1 拓扑结构-并联(两端子)型或串联(三端子)型。在操作中，并联基准与齐纳二极管非常相似，因为它们都需要外部电阻器进行偏置。外部电阻器决定了能够输送给负载的最大电流。当负载接近恒定且电源电压变化极小时，应考虑采用并联基准。串联基准不需要任何的外部元件，如果负载是变化的,而且降压电压开销十分重要的场合考虑使用。在对电源电压变化的耐受性上，它也强于并联基准。
1.2温度漂移-温度漂移指的是因温度变化所导致的输出电压变化，以 ppm／ºC为单位来表示。与带隙型电压基准相比，埋入型齐纳二极管基准(例如REF02、REFl02)的温度漂移通常更小。温度漂移可用多种方法(斜坡、蝶形电路或逻辑框)来确定，但最常用的方法是逻辑框法，计算公式如下：
1.3输出噪声-输出噪声通常是在两个频率范围内确定的，即0.1Hz至10Hz(峰-峰噪声)和10Hz至1kHz(RMS噪声)。噪声是很重要的，因为它有可能缩小采集系统的动态范围。高分辨率数据采集系统有可能完全因为基准噪声的缘故而在LSB中发生高频脉动。可通过外部滤波来降低噪声。电压基准如例如串联REF02、REFl02或并联REFl004-xx系列可选用。
1.4或采用一种比例测量方式。
用一个信号既用作激励传感器又用作为参考电压，这样可以消除基准引起的误差(如图1所示)。为激励源和基准同时漂移，漂移误差相互抵消。
2、 高质量电阻网络的使用-对电子元件的温度变化的补偿
在数据采集硬件内,电子元件的规格依赖于工作温度，故应选择的电子元件都具有很高的温度稳定性，在15℃到35℃的工作温度范围内设计的数据采集设备将温度引起的误差减小到每摄氏度不超过信号真实值的0.0006%。所有这些特性都有助于保证测量具有很高的可靠性而无需考虑数据采集硬件工作温度，在实际中那些设计有助于最小化误差。
温度漂移保护电路与高精度前置放大电路
数据采集系统在A/D之前采用高精度前置输入放大器的作用是在A/D的输入端存电流瞬变的情况下能提供稳定、准确的信号。它还能提供增益(或衰减)、电平移位、滤波及其他信号修整功能。由于DC准确度的要求有可能使放大器的选择范围变小,故放大器必须具有足够低的失调电压、失调电压漂移、输入偏置电流、噪声等，以满足所需的准确度性能指标。
另外,数据采集的高精度前置放大电路设计可以使芯片上的元件会具有消除温度漂移误差的方式响应温度变化。例如,高质量的电阻网络,即使在高温的情况下也可以精确地保持设置的比例。这就使得在设备的整个工作范围内都可以提供稳定的可编程的增益。
3、也可采用板上温度传感器
这是由于板上温度传感器可确保其测量在已知的温度下工作,从而使测量更加可靠。其方法是可从开发环境,如NI的LabVIEW或Code Composer Studio的集成开发环境(IDE)中可以读出板上传感器的温度，然后通过简单的函数调用就可以更新存储在设备上的校准常数。
4、可编程增益放大器的应用
采用可编程增益放大器(PGA)。它是通用型极好的数据采集输入放大器，它能够对增益进行数字控制，以提高准确度并扩展动态范围。许多PGA都具有即使在电源切断的情况下仍被保持于±40V的输入。单输入型放大器可与各种传感器或信号相连。在处理器的控制下，开关增益可使系统的动态范围得到扩展。
所有的PGA系列放大器均采用TTL或CMOS兼容型输入，旨在实现与微处理器的简易连接。对输入进行激光修整，以实现低失调电压和低漂移，从而可在无需外部元件的情况下使用。该PGA系列放大器设计应考虑以下二点：
*增益误差和漂移一为了获得更高的增益，高精密型应用将要求更加密切地关注漂移和增益误差。
*输入偏置电流一指的是每个放大器输入在输入失调电压为零时产生0V输出所需的DC电流。高源阻抗应用通常要求采用FET输入放大器，这种放大器因为所需的偏置电流极低而最大限度地减少了偏置电流误差。
为此,可采用连接两个可编程增益放大器制作技术。以提供Gain=1至64(即1V、2V、4V和8V/V)的二进制增益步进(见图2所示)。这样将系统动态范围整整增加了一个数量级。低输入偏置电流和FET输入级确保多路转换器的串联电阻不会引起误差。快速稳定时间(只需3.5µs的时间便可达到 0.01％)可实现多个通道的快速轮询，如典型的TI-PGA205型。
这种特殊的集成电路可以在一个很宽的增益和采样速率范围内保证精度。它主要解决或克服一般商用放大器常在高增益时带宽减小从而导致时间建立慢到无法接受所造成的误差。为了保证测量的精度，放大器必须在没有振荡或者振铃的情况也能建立并稳定下来。如果没有这种技术，在高增益和采样速率的情况下，16位的 ADC可能达到40个最低位的信号误差。其他数据采集设备供应商经常忽视仪器级放大器的重要性，这就导致在高增益和采样速率时分辨率较低和不精确。
5、用RC网络优化A/D特性及采用高斯分布的随机“抖动”技术增强分辨率
*所谓“抖动”定义是一个数字信号在有效时点上距离理想时间位置的短期变化，而热噪声和散粒噪声将遵守高斯分布。
采用了这种随机“抖动”的技术,使低频测量(比如温度和应变测量中)的1 2位DAQ设备在分辨率上的性能可以提高4倍,从而大大增强了分辨率,这是为什么？该抖动电路实际上是将小量的高斯噪声加到信号上。直观看起来，增加噪声好像是违反常规的，但是如果系统(设备)给输入的信号增加了合适的噪声，并平均了数字化信号值，那么就可以达到比ADC芯片规定的更高的分辨率。故值此称该“抖动”为分辨率增强技术。由于采用分辨率增强技术能使16位多功能数据采集系统(设备)的性能可提高到18位分辨率，12位设备性能表现达到14位分辨率。
*输入放大器一般通过R-C网络与A/D相连。该网络虽然常常被称为滤波器，它的存在取决于来自A/D输入电路的电流脉冲,其实际作用却是“规整”。该电路的线路参数取决于放大器和A/D的特性，且往往必须针对某项特定的应用进行优化。最佳的电容器数值通常为A/D的输入电容的 10～50倍。电阻器的阻值则是以满足应用的速度或带宽要求为目标来选择的。
6、电缆连接与信号调理及4-20mA发送器
一些影响精度的组件，包括信号调理电路、4-20mA发送器及电缆连接，常常会被忽视。
6.1 应将电缆都经过特殊设计以保护信号的完整性和精度。它们所包括的独特设计有模拟信号与数字信号分离，模拟输出单独屏蔽，所有模拟输入都采用单独屏蔽的双绞线，电压线采用大导体和双接地屏蔽，如果信号在数字化之前已经被破坏那么再精确的数字化仪也毫无价值。还应提供一个普通的用螺丝固定的终端盒,该盒带屏蔽和用于冷端补偿的温度传感器，其可用于高精度测量的可以是一个模块化信号调理平台。
6.2为什么信号调理平台是独特的关键技术呢？
仪器信号调理是—种高性能、多通道的信号调理与开关平台，模拟输入模块可以在系统与各种传感器和信号间建立一个接口，借助高性能、低噪音的信号调理功能，来提高测量质量与可靠性，这些信号调理功能包括：高性能，低噪音的信号调理功能，如放大、隔离、多路复用、滤波、传感器激励、同步采样与保持和开关等。
*完整的电压输出桥接器传感器调理器的采用
经常采用的信号调理平台采用何种形式是完整的电压输出桥接器传感器调理器,见图3方框所示(典型以TI-PGA309为例)。它免除了电位计和传感器修整。利用存储在低成本、SOT23-5封装的外部EEPROM中的温度系数来对跨距和失调进行数字校准。提供激励电压线性化、内部/外部温度监控以及内部 /外部电压基准(包括电源)的选择。该器件采用可设置的过压/欠压标度限值并具有故障检测电路。如NI公司产的SCXI是一个模块化信号调理是一种高性能、多通道的信号调理和矩阵开关平台,专供数据采集卡或模块化仪器设备使用。一套SCXI系统通常由一个或多个坚固的机箱组成，内装多个信号调理模块，以满足对I/O的需求。图为SCXI和PXI组合机箱。
6.3 4-20mA发送器
4-20mA发送器是提供通用型仪表放大器(1A)输入和电流环路输出，使得模拟信号能够在不损失准确度的情况下进行长距离传输。这器件中有很多还包括定量、补偿、传感器激励和线性化电路。如4-20mA发送器XTRl08可为RTD(电阻温度检测器)信号整形提供一条数字控制的模拟信号路径。XTRl08允许通过标准的数字串行接口对传感器和发送器误差进行校准，从而无需采用昂贵的电位计或改变电路参数值。校准设定值可以存储在廉价的EEPROM中，以便于在常规操作过程中进行检索。图4为4-20mA发送器设计方案。
7、高档A／D转换器
逐次逼近寄存器(SAR)型A/D常常是具有中等采样速率的中高分辨率应用所选择的架构。SAR型A/D的分辨率范围为8至18位，速率一般低于 10MSPS。其特点是功耗低、外形尺寸小。在SAR型A/D中，位是由高速、高精度比较器的位逐一决定的(从最大有效位-MSB到最小有效位- LSB)。这是通过将模拟输入与其输出被先前确定的位所更新并逐渐逼近模拟输入的DAC进行比较来完成的, SAR型A/D框图如图5所示，如ADS78xx系列14位A/D。
8、结论
综上所述,采用一系列现代技术，可为数据采集系统获得精确度的测量。它们应具备：电压基准；高质量电阻网络的使用；板上温度传感器的采用；数字可编程增益放大器的应用；采用接高斯分布的随机抖动；完整的电压输出桥接器传感器调理器、4-20mA发送器及屏蔽电缆连接；高档SAR型A／D转换器等项关键技术,其示意框图见图6所示。由此设计制作成的数据采集系统在采样率为333kS/s,分辨率为16位时DC精确度为±0.876mV-0.878mV；采样率为10MS/s，分辨率为12位时DC精确度为±4.61mV。它们的绝对精度均可在0.0127%左右范围内。
作为开发者，应当分析这些技术要求。并检验数据采集设备中运用的技术是否能确保满足精度与测量容差要求。然而,往往不同的制造商经常罗列出来的都是那些最能突出他们的产品的规格说明。故应选择时应当考虑那些超过规定的ADC分辨率的规格与技术。应当掌握温度漂移保护、仪器级放大器分辨率增强技术、信号调理和电缆设计能够显著地提高测量精度的应用技术。
