測(cè)量精度的五大迷思

前言

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，測(cè)量精度是評(píng)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(huì)面臨測(cè)量精度的各種問(wèn)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(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)量噪聲？對(duì)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(wèn)題。

在本文中，將針對(duì)測(cè)量精度最常見(jiàn)的五個(gè)問(wèn)題予以詳細(xì)的說(shuō)明與解答。

迷思一：分辨率=測(cè)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(wèn)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(hào)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(duì)而言，精度的概念是指測(cè)量值與“真實(shí)”值之間的最大偏差的絕對(duì)值。如圖1所示，信號(hào)在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會(huì)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(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的影響就是我們所說(shuō)的測(cè)量精度。

圖1 誤差的來(lái)源

因此，對(duì)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(gòu)買的數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)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(duì)精度值，提供給客戶以完整的信息，確保最終測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖2 NI 628x數(shù)據(jù)采集板卡的絕對(duì)精度表

迷思二：別讓信號(hào)輸在起跑線上

很多工程師會(huì)選用最高性能的數(shù)據(jù)采集卡，但是對(duì)于線纜和接線端子，則并不予以重視，而使用相對(duì)較低成本的產(chǎn)品。這種做法本身就是錯(cuò)誤的，因?yàn)槿绻�線纜和接線端子的質(zhì)量不佳，那么在信號(hào)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(hào)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(wú)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(méi)有經(jīng)過(guò)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(hào)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(méi)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(wèn)題了？可喜的是，隨著無(wú)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(wú)線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世，從而幫助工程師們擺脫線纜的困擾，通過(guò)無(wú)線的協(xié)議加密技術(shù)，可以大大降低信號(hào)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(wàn)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(jué)得萬(wàn)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(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，因此真正絕對(duì)意義的地并不存在。