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标题: 数据采集设备中的“即测即用”是高精度测量的新技术 [打印本页]

作者: Bazinga 时间: 2015-6-17 21:49 标题: 数据采集设备中的“即测即用”是高精度测量的新技术

1、前言
多功能数据采集[url=link

DAQ|0](DAQ[/url]) 设备结合了模拟前端，灵活的定时和触发[url=link:ASlC|0]ASlC[/url]以及总线接口ASlC，从而改善和优化了最新的现有商业化数字技术。利用这些DAQ设备再结合信号调理产品，可以创建确保精度的DAQ系统。这就是在数据采集设备中应用了“即测即用”高精度测量的新技术的结果。也称之为“即测即用”数据采集(Measurement Ready DAQ)设备。由于“即测即用”数据采集(Measurement Ready DAQ)为获得绝对精度而进行了优化，具有了如下特性：
卓越的模拟电路设计：具有低于20μV的系统噪声和其它硬件规格，无论是小信号还是大信号，都可以进行精确测量；

全面的信号调理选择：具有隔离、滤波、激励和电流测量模块，可将其连接到任意类型的传感器上；

完整的校准选择：一个板载高精度信号源可以通过简单的软件调用对板卡重新进行校准，以减少温度变化和时间积累所引起的精度误差。
      作为“即测即用”-多功能数据采集设备，其重要的是它的精度特征，即高质量测量性能与信号调理精度特征，为此本文将对此问题迸行讨论与分析，因为它关系到数据采集糸统的根本。
值此首先需要说明的是何谓多功能DAQ数据采集？
      多功能DAQ-多功能DAQ指的是数据采集硬件，它能在单个设备上提供多种功能：模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出和定时I/O。

      而数据采集的目的是为了测量如光、温度、压力或声音这样的物理现象。基于PC的数据采集结合了硬件，软件和计算机来进行自动化测量、分析测量数据。
2、即测即用”数据采集设备精度特征关键-高质量测量性能
2.1“量化误差”理念的引入
      各种各样的传感器，最终都将物理参量转换为可以通过电线传送的电信号。当将这些电线连接到数据记录仪或数据采集(DAQ)卡、数字万用表([url=link

MM|0]DMM[/url])、或任何其它类型的测量硬件上的时候，肯定希望读取到的就是线上传输过来的精确的数值。可同也需要说明，没有一种测试硬件是完美的。因此必然要考虑能够接受的最大误差值是多少呢?
      当今许多设计人员在评估DAQ产品的优劣时，往往只考虑它的精度位数。例如，认为使用16位精度的DAQ设备，用户可得到个可能的数据点。这65536个值均匀地分布在一个电压范围内，而任何一个采样得到的信号都会被圆整到这些值的其中一个。在此圆整过程中所产生的误差就叫“量化误差”。DAQ设备精度上的量化误差仅仅是造成测试结果误差原因中的极小部分。由于硬件设计的不同，其它类型的误差将呈现极其多种的形式。“即测即用”数据采集设备可以最大程度上减少各种类型的误差可能。这些都是可能导致误差的原因，在选购任何一种硬件设备，例如DAQ设备时，都需认真考虑。
2.2即测即用”数据采集设备能将温度漂移大大缩小
      DAQ设备的精确度会随着它温度的改变而发生变化。“即测即用”数据采集设备能将因温度变化引起的误差缩小到最小范围，这是因它在设计上有如下几点优势：高品质的元部件：能在很大的温度范围内保持数值的稳定；补偿元件：可以为其它部件产生逆向误差，从而有效地中和误差；板载温度传感器：可随时供编程或操作人员用来评估设备当前温度。
举例说明
      由于设计中的诸多考虑，当温度变化1℃时，16位精度的“即测即用”数据采集设备所读取的数据变化仅为0.0006%以下。这种抗温度变化的性能，确保了在温度发生漂移时的读数准确性。
      当环境温度变化15℃时，您的DAQ设备的精度可能发生显著的变化。如NI PCI-6052E漂移18μV，而Analog Device公司AD291E级精度参考电压在±200mV范围内漂移24μV。看出将AD291E级精密参考电压与发生温度漂移的PCI-6052E上的温度漂移所进行比较时，DAQ设备也表现出25％的精度改善。
2.3以很小稳定时间达到一定的精确
      稳定时间指的是DAQ设备为达到一定的精确度并保持这一特定的精确度所需的一小段时间。无论要求怎样的增益和采样率，“即测即用”数据采集设备都可以确保根据要求稳定下来。如图1显示了12位E系列DAQ卡最差的稳定时间范围。在电压范围为10V时，此设备的量化误差为1.22mV。需要注意，量化误差只是整体测量误差的一小部分。

举例说明
      因多路传输DAQ设备上的仪器放大器必须能够在较高的增益和采样速率下从具有不同电压水平的多个通道获取精确的读数。由于这些要求，大部分市售仪器放大器均具有DAQ设备所需要的精度。如NI PCI-6052E经过4μS稳定在0.305mV的范围内，而采用线性技术LT1102高速、精确仪器放大器在同样长的时间内却稳定在2.5mV的范围内。即使在把一个精密仪器放大器与PCI-6052E上的所有元件包括仪器放大器在内的稳定时间进行比较时，DAQ设备也表现出87.7%的精度改善。
2.4“抖动”的硬件技术使偏大和偏小的系统噪声接近
      噪声诸如热或电等因素的干扰都会引起测量值偏离实际的被测信号，其偏移值被称为噪声层。由于“即测即用”数据采集(Measurement Ready DAQ)设备具有高性能元部件，加上其设计上的正确屏蔽、接地因素的周密考虑，这一切优秀品质使得设备的噪声最小化。图2展示的是一般的DAQ设备与“即测即用”数据采集设备在读取7.5VDC高稳定信号时的差异。
      噪声层越低越好，但这只适用由于噪声导致的误差在理想的数据上下等同的情况之下。当搜集到一些数据并想算出其平均值时，这些数据却普遍偏高，这时，得出的结果会怎样，自然是数据偏高”。“即测即用”数据采集设备采用一种叫做“抖动”的硬件技术，解决了此类问题。“抖动”使得对信号产生影响的噪声偏大和偏小的可能性接近。从统计数据来看，此技术增强了该检测设备的精确性：抖动技术的使用不需使用者做任何工作，也不需要任何专业知识。
2.5能最小化了非线性误差所带来的影响
      “即测即用”数据采集设备采用最优的组件，这使得模数转换器(ADC)中最常出现的误差最少化了。ADC的最常见误差主要分两类：即线性和非线性误差。线性误差包括增益误差和偏移误差。这两种误差可相对方便的用一个简单的线性公式得以纠正。“即测即用”数据采集设备的自校准功能可以自动地校准线性误差。
      然而，非线性误差由于其难以在软件中纠正，将此类误差量小化则在设备的设计中显得犹为重要。非线性误差包括微分非线性(DNL)和积分非线性(1NL)。如图3所示，微分非线性指的是DAQ设备在检测不同电压高低时的差异；积分非线性是微分非线性误差的总和。高质量的组件与优越的板卡设计相结合，最小化了非线性误差带来的影响。

      除了熟知的增益和偏移等一阶误差之外，INL&DNL等高阶线性误差也可对精度造成极大的影响，即使公认DAQ设备的精度由模拟/数字转换器的精度所决定，但根据将模拟教宇转换器集成到电路板设计中所采用方式的不同，还可能出现许多误差源。
2.6 ”即测即用”数据采集设备的校准
      电子元件会随着时间和环境的变化发生漂移。随着时间的流逝和环境的改变，电子器件的性能会受到影响；例如，某DAQ系统在25%时读数为2 .00V，而一年之后，即使在同样温度下，读数就可能变为2.01V了。为补偿此类漂移，需要对DAQ设备进行定期的调整或校准，当对“即测即用”数据采集设备进行校准时，将测试结果与已知的标准值作比较。若测量结果不在规格之内，则该设备就必须进行一定的调整。校准有如下步骤：
*检查DAQ设备的当前运作是否在规定的误差范围之内；
*若超出允许的范围，必须做一定的调整；调整之后，再次检查DAQ设备的运作是否符合规定；
*发布校准证书，说明该设备已经与可溯源标准比较，可在规定范围内操作。
      “即测即用”数据采集设备具有高精度的板上电压源，使得间歇性的自校准成为可能。自校准过程只需要软件的一个命令即可，无须其他信号连接，也无须多余操作。所有的“即测即用”数据采集设备出厂时都附有可溯源校准证书。
      在使时间漂移量降至最低的过程中，也需要使用同样精确的参考电压使您的DAQ设备随着环境温度变化保持稳定。当范围为±200mV时，PCI-6052E在一年的时间里漂移了88.8μV，而Analog Devices公司的AD291精确电压参考在同样的时间内漂移达740μV。即使当将一个精密电压参考与一个发生时间漂移的PCI-6052E上的所有部件相比较时，设备也表现出88%的精度改善。
3、关于信号调理精度特征
3.1何谓信号调理？
      信号调理是完整的数据采集系统的关键组成部分。它能通过放大、隔离、滤波或多路复用来提高系统性能和可靠性。对于某些传感器，如RTD，必须要有作为激励源的信号调理。
      信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被忽视的一部分。许多传感器都要求使用专门信号调理技术，而没有哪种DAQ设备能为所有的传感器提供各种类型的信号调理功能。比如说，热电偶产生的是低电压信号，它还需要进一步的放大、过滤、以及线性化等处理。
3.2多通道系统([url=link:SCXl|0]SCXl[/url])与紧凑信号调理系统([url=link:SCC|0]SCC[/url])
      SCC当今不少著名公司已经开发出能适合您独特数据采集系统的信号调理平台，包括支持智能TEDS传感器，灵活的信号连接选项，模块化和软件配置功能。这些可选的设备包括用于便携式应用的紧凑信号调理系统(SCC)以及用于高通道数大型应用的坚固的多通道系统(SCXl)。
      其SCXI是多用途，高性能的信号调理平台。无论是用于包含插入式仪器还是DAQ设备的信号调理前端系统，或者基于USB的数据采集系统．SCXI是专为要求大中规模、多通道数，坚固封装以及高性能的信号调理和通路开关的切换过程中，提供广泛选择范围的应用方案而设计的。SCXI包含了完整的模块，可以对诸如热电偶、FITD、应变仪、负载单元、压力传感器、加速度计。LVDT、高压输入、电流输入、模拟输出、数字信号等广泛的信号类型进行放大、滤波、衰减、隔离和多路复用。SCXI也能提供通用功能和多路复用器外巨阵开关解决方案。

      SCXI(如图4所示)用于解决中高通道数信号调理应用问题。可以将各种信号调理模块混合匹配使用，并把他们安装在一个SCXI机箱里面。只要将这一机箱与“即测即用”数据采集设备连接，所有的模块即可被自动植测井加入到DAQ配置软件中。
      而SCC，对于便携式低通道数应用-可达到16个模拟输入通道和8个数字I/O通路-SCC对每个通道提供模块化．灵活的信号调理。SCC所提供的信号调理用于广泛的输入．包括热电偶、FITD、加速计、应变仪、需要隔离的模拟输入、高压(到100V)、电流(0到20mA)和光隔离数字I/O，SCC也有低通滤波和面包板模块可选。这些模块可插入小型的SC-2346屏蔽盒(能包含20个模块)或可配置传感器电子数据表格(TEDS)连接器的SC-2360屏蔽盒(能包含10个模块)，并通过电缆直接和M系列，E系列或基础级的多功能数据采集设备相连。
      SCC是适用于低通道应用便携式信号调理平台。不象SCXl一个模块同时处理一组信号，SCC平台为每一个信号提供单独的模块。SCC平台还提供了切换开关、LED，以及BNC和LEMO等常用的连接端于。无论是SCXI，还是SCC平台都有用于测量、激励、隔离和过滤的模块。图5是SCC系统的展示图。
3.3、传感器即插即用技术
      传感器即插即用技术减少了传感器配置的时间和难度。IEEE 1451.4定义了具备模拟信号接口的传感器特性的自我描述机制，该机制通过传感器电子数据表格(TEDS)文件来描述传感器的自身特性。TEDS文件被保存在传感器上的嵌入式存储器芯片中或者可从数据库中下载，它为数据采集系统提供了传感器必要的配置、换算和校准信息，减少了配置时间．提高了测量精度。图6为基于硬件支持智能TEDS传感器示意图。
      即插即用传感器传感器电子数据表(TEDS)包括：传感器制造商，序列号，测量范围，校准信息及用户信息(特定区域)。
3.4 SCXI与SCC信号调理精度特色
      一个高效的数据采集系统应该结合所需的信号调理技术，从而避免降低您所定制的解决方案的测量精度，功能和灵活性。通过对SCXI数据采集系统进行配置，它可以接收广泛的传感器和信号类型，并且能为了今后的应用而轻松地再次配置或扩展。
      针对低通道数和便携式测量系统SCC能够在一个紧凑、小巧的盒子中进行信号调理．特别适合16个或少于16个模拟输入通道的应用。

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