測量精度的五大迷思 - 全文

　　前言

　　對于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，測量精度是評估其性能的一個(gè)重要參數(shù)，也是科學(xué)家們不斷努力希望提高的一個(gè)指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，很多工程師都會面臨測量精度的各種問題：它與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率有什么區(qū)別？哪些因素會產(chǎn)生系統(tǒng)的測量噪聲？對于工程師而言，又有哪些實(shí)用的技巧可以幫助提高這個(gè)指標(biāo)？這些都是值得深究的問題。

　　在本文中，將針對測量精度最常見的五個(gè)問題予以詳細(xì)的說明與解答。

　　迷思一：分辨率=測量精度嗎

　　市面上12位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡的精度都是一樣的嗎？這個(gè)問題困擾了不知多少工程師，而其實(shí)質(zhì)就是分辨率與精度的概念區(qū)別。

　　分辨率通常指的是最大的信號經(jīng)采樣后可以被分成的最小部分，例如帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的數(shù)采卡，當(dāng)輸入電壓范圍為±10V（即Vpp=20V），那么它所能分辨到的最小電壓就是20V/（212）=4.88mV。

　　相對而言，精度的概念是指測量值與“真實(shí)”值之間的最大偏差的絕對值。如圖1所示，信號在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會受到參考量隨時(shí)間、溫度的飄移誤差、隨機(jī)誤差、非線性誤差、增益誤差等影響，這些影響綜合之后對測量結(jié)果所產(chǎn)生的影響就是我們所說的測量精度。

　　圖1 誤差的來源

　　因此，對于工程師而言，除了AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，更重要的是需要了解自己所購買的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對精度指標(biāo)，有時(shí)一塊16位的數(shù)據(jù)采集卡的精度可能還不如一塊設(shè)計(jì)良好的12位數(shù)據(jù)采集卡的精度。圖2所示的NI 628X系列技術(shù)參數(shù)表中就詳細(xì)列出了像增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值以及綜合之后的絕對精度值，提供給客戶以完整的信息，確保最終測量的準(zhǔn)確性。

　　圖2 NI 628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對精度表

　　迷思二：別讓信號輸在起跑線上

　　很多工程師會選用最高性能的數(shù)據(jù)采集卡，但是對于線纜和接線端子，則并不予以重視，而使用相對較低成本的產(chǎn)品。這種做法本身就是錯(cuò)誤的，因?yàn)槿绻€纜和接線端子的質(zhì)量不佳，那么在信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡之前就已經(jīng)受到了很大的噪聲干擾，真正地讓信號輸在了“起跑線”上，即使后端的采集精度再高也已經(jīng)于事無補(bǔ)。而為了防止這種情況的發(fā)生，使用帶屏蔽功能的線纜與接線端子是有效的方法。

　　以前使用的線纜和接線端子都是沒有經(jīng)過專門屏蔽設(shè)計(jì)的（圖3上面部分），如今很多數(shù)據(jù)采集廠商（例如NI）都推出了帶屏蔽的線纜與接線端子，此外雙絞線的設(shè)計(jì)還可以有效避免通道間的互相干涉，從圖中線纜的切面圖中也可以看到（圖3右下），線纜為模擬信號線專門設(shè)置了3層的屏蔽。

　　圖3 線纜與接線端子

　　此外，換一種思路，如果整個(gè)系統(tǒng)根本就沒有線纜的話，那么豈不是可從根本上解決物理噪聲引入的問題了？可喜的是，隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，這個(gè)最初的設(shè)想已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等無線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品已經(jīng)問世，從而幫助工程師們擺脫線纜的困擾，通過無線的協(xié)議加密技術(shù)，可以大大降低信號的引入噪聲。

　　迷思三：什么是接地環(huán)路

　　假設(shè)我們有一個(gè)數(shù)字萬用表，將兩個(gè)探頭分別連在一間屋的兩個(gè)插座的地上，你覺得萬用表的讀數(shù)是不是0？當(dāng)然，答案顯然不是0，這是由于線纜本身具有內(nèi)阻值，以及功率分配波動(dòng)等影響因素，兩個(gè)地之間總會產(chǎn)生電勢差，因此真正絕對意義的地并不存在。

　　那么，如果我們在測試電路中，將兩個(gè)地連在一起之后，由于電勢差的產(chǎn)生，那么就會產(chǎn)生電流，這也就是我們所說的“接地環(huán)路”現(xiàn)象。

　　接地環(huán)路會嚴(yán)重影響測試結(jié)果，例如，在圖4所示的電路中，為了能夠長時(shí)間監(jiān)測一個(gè)電機(jī)的溫度，在電機(jī)上連上一個(gè)熱電偶傳感器，由于電機(jī)箱是接地的，因此熱電偶也接地，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備地與電機(jī)箱地之間存在電勢差，因此產(chǎn)生了電流。你可以注意到，加在測試信號的噪聲可能是交流的，或者一個(gè)簡單的直流偏移值，但最終無可避免地影響了測試精度。

　　圖4 接地環(huán)路影響測試結(jié)果

　　為了避免接地環(huán)路，需要選擇合適的接地模式，特別是在測量一個(gè)接地傳感器時(shí)，應(yīng)該盡量避免使用單端輸入方式（RSE），這種方式會直接在數(shù)據(jù)采集設(shè)備與傳感器地間產(chǎn)生電流。如果使用的是差分方式（DIFF），由于電路為開路，因此電流被制止，從而較好地抑制了接地環(huán)路。當(dāng)然，相比于差分，通過隔離技術(shù)（見圖5），可以在不讓兩個(gè)地相連，分隔數(shù)據(jù)采集設(shè)備地的同時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)值的傳輸，從而從根本上解決了環(huán)路問題。

　　圖5 隔離技術(shù)解決接地環(huán)路問題

　　迷思四：軟件的作用

　　作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件在其中的作用日益得到重視，它除了可以為整個(gè)系統(tǒng)提供靈活性與可擴(kuò)展性之外，還可以利用軟件對采集得到的信號進(jìn)行后處理，從而提高測量結(jié)果的正確性。

　　最常用的就是軟件濾波技術(shù)，如果事先對所測得的信號情況已有一定的了解（例如知道信號中被引入了50Hz的電源噪聲），那么就可以針對性地對其后處理，從而還原更真實(shí)的信號。相比于傳統(tǒng)的硬件級濾波，軟件具有簡單、靈活并且成本低廉等優(yōu)勢，與此同時(shí)，CPU日益提升的處理速度也已可完全勝任任何的濾波算法處理。

　　圖6就是使用NI LabVIEW圖形化開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)軟件濾波的實(shí)例，當(dāng)信號具有一定噪聲時(shí)，通過LabVIEW自帶的濾波器VI，對信號進(jìn)行低通濾波，濾除掉25Hz以上的噪聲，從而得到原始信號（Fitered Signal）。

　　圖6 使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)軟件濾波

　　當(dāng)然，軟件所能發(fā)揮的作用遠(yuǎn)非如此。在很多前沿應(yīng)用時(shí)，一些原始的信號對研究來說也可能是噪聲（例如對虎鯨叫聲的分析時(shí)，海水的聲音就是一種噪聲），對于這些問題，如果在軟件中使用一些高級的信號處理算法（例如聯(lián)合時(shí)頻分析、小波分析等）就可以解決。例如，利用聯(lián)合時(shí)頻分析的高級算法，在 LabVIEW下成功截取到虎鯨的叫聲，而將海水的聲音與其他噪聲都去除。因此，可以預(yù)見的是，軟件在數(shù)據(jù)后處理方面將起到舉足輕重的作用，從而幫助工程師得到自己所需要的信號與數(shù)據(jù)。

　　迷思五：重視校準(zhǔn)

　　“時(shí)間能夠沖淡一切”，這句話用于測試系統(tǒng)也同樣受用，我們知道，時(shí)間的推移（持續(xù)工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響）都會讓任何儀器中的電子器件的精度產(chǎn)生偏差，從而給測量帶來很大的不確定性。解決該問題的關(guān)鍵所在，就是必須定期對儀器和板卡進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　一般而言，校準(zhǔn)就是將儀器的當(dāng)前性能與已知的標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比較，通過對儀器測量能力的調(diào)整，確保其測量精度在廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。要想完成對一個(gè)儀器的外部校準(zhǔn)，可以將其送回原廠，或者送至一個(gè)校準(zhǔn)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)。另一方面，在選擇儀器的時(shí)候，工程師們需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)時(shí)間間隔這個(gè)參數(shù)，這可以大大減少自動(dòng)化測試系統(tǒng)的維護(hù)成本。

　　當(dāng)然，作為一種在校準(zhǔn)周期內(nèi)改善儀器測量精度的方法，某些廠商的板卡或儀器還包含了非常實(shí)用的自校準(zhǔn)功能，它們含有精確的電壓參考源等硬件資源，可以隨時(shí)快速地校準(zhǔn)該儀器，從而減少因環(huán)境等因素造成的測量誤差。

　　結(jié)論

　　幾乎所有的工程應(yīng)用對系統(tǒng)的測量精度都有著很嚴(yán)格的要求。它的概念并非分辨率那么簡單，還涉及到很多其他影響因素（線纜、接線端子、接地環(huán)路現(xiàn)象等），通過合理的布置與屏蔽可以抵制測量噪聲的引入，也可以通過軟件進(jìn)行針對性的后處理，從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。當(dāng)然，為了避免時(shí)間的影響，定時(shí)對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)也是不容忽視的問題。