數(shù)據(jù)采集的精度與分辨率考慮

在選擇一張多功能數(shù)據(jù)采集(data acquisition,以下簡(jiǎn)稱DAQ)卡的時(shí)候,您可以很容易地決定自己需要的模擬輸入/輸出和數(shù)字信號(hào)的通道數(shù)。但要確定模擬輸入通道的分辨率,就不是那么容易了。

　　一些12位的板卡可以達(dá)到更高采樣率,或是具有比同類16位板卡低廉的價(jià)格。如何確定哪款卡才是自己真正需要的呢?想要作出正確的決定,您需要考慮系統(tǒng)和板卡要求的整體精度。

　　考慮精度,而非分辨率

　　工程師們?cè)跊Q定選用12位還是16位的設(shè)備時(shí),經(jīng)常是靠“猜測(cè)”。實(shí)際上,通過(guò)很多方怯,都可以由給定的系統(tǒng)精度指標(biāo)衡量出DAQ卡需要的整體精度。在一個(gè)給定范圍內(nèi),一塊16位DAQ卡的測(cè)量結(jié)果有216(65536)種可能,而12位的DAQ卡則有212(4096)種可能。在理想狀態(tài)下,這些可能的值在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)均勻分布,測(cè)量硬件將實(shí)際值歸入最接近的可能結(jié)果,并將此結(jié)果返回到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。如果計(jì)算精度只考慮這一點(diǎn)的話,那么16位測(cè)量則永遠(yuǎn)比12位測(cè)量精確16倍。而實(shí)際上,人們僅將這種誤差視為影響精度的因素之一,稱為量化誤差。

　　量化誤差在12位NI多功能DAQ板卡的總體測(cè)量誤差中占35%,但在16位NI多功能DAQ板卡的測(cè)量誤差中,所占比例可忽略不計(jì)。特別是在16位測(cè)量中,您除了測(cè)量誤差外,還必須考慮其他誤差因素。

　　所謂的其他誤差包括噪音,非線性轉(zhuǎn)換函數(shù),溫度漂移誤差及更多。所有這些誤差都受模擬設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響,是16位產(chǎn)品的總體誤差中的重要因素。這意味著16位板卡的模擬設(shè)計(jì)比12位的更加嚴(yán)格,尤其在高增益時(shí)。不同的測(cè)量硬件廠商對(duì)構(gòu)成誤差的定義各異,術(shù)語(yǔ)也不盡相同。因此,您必須核對(duì)多個(gè)供應(yīng)商的技術(shù)規(guī)范列表,以確認(rèn)廠商沒有遺漏任何影響精度的重要信息。

　　精度的保證——卡設(shè)計(jì)

　　您計(jì)算機(jī)或工作臺(tái)上的儀器設(shè)備溫度會(huì)不斷波動(dòng),高品質(zhì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備能在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)確保測(cè)量精度。通常55℃是PCI設(shè)備的工作范圍。定制的電阻網(wǎng)絡(luò)和高檔元件能將溫度漂移限定在6ppm/℃內(nèi)。另一個(gè)要注重的設(shè)計(jì)是分辨率改良技術(shù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)將噪聲最小化,并按高斯陸則均勻分布其他誤差。因此,通過(guò)將采樣結(jié)果取平均也能大幅增加這類設(shè)備的測(cè)量精度。計(jì)算100個(gè)或更多采樣結(jié)果的平均值后,12位板卡能有14位板的效果,16位能達(dá)到18位的效果。

　　帶多功能I/O的數(shù)采設(shè)備應(yīng)該具有校準(zhǔn)電路,來(lái)矯正模擬輸入和輸出產(chǎn)生的增益和漂移誤差。您可利用軟件來(lái)消除運(yùn)行時(shí)的時(shí)間漂移和溫度漂移。無(wú)需外部電路,卡上高度穩(wěn)定的內(nèi)部參考電壓即可確保其在時(shí)間和溫度變化下保持原有的精度和穩(wěn)定性。工廠校準(zhǔn)常量被永久性地保存在板上的EEPROM里,不能修改。在EEPROM中可被修改部分保存了用戶可調(diào)性常量。您可以通過(guò)取出不可修改常量,將設(shè)備恢復(fù)到出廠時(shí)的初始校準(zhǔn)狀態(tài)。

　　別忽略了軟件!

　　配置和驅(qū)動(dòng)軟件的質(zhì)量好壞與測(cè)量硬件的質(zhì)量同樣重要。一定要耐心仔細(xì)地為您的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)選擇一個(gè)穩(wěn)固、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)軟件。軟件能夠幫助您快速完成設(shè)備安裝,開始測(cè)量數(shù)據(jù)。購(gòu)買之前,先參考一些測(cè)量范例能讓您的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)有一個(gè)高的起點(diǎn)。為了確保技人的資金,驅(qū)動(dòng)軟件應(yīng)能在多種不同開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī),總線下保持同樣的高性能與易用性。

　　花時(shí)間在評(píng)估和選擇正確的數(shù)據(jù)采集設(shè)備是成功測(cè)量任何信號(hào)和傳感器的關(guān)鍵。盡管您可能有許多選擇,但由于每種數(shù)采卡均有設(shè)計(jì)獨(dú)特之處,所以最佳選擇只有一種。向技術(shù)支持工程師咨詢,了解設(shè)備在不同溫度下的工作狀態(tài),抗噪性如何,軟件是否提供快捷配置工具等,能讓您對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量乃至項(xiàng)目的成功更有把握。