测量精度的五大迷思

前言

对于一个数据采集系统而言，测量精度是评估其性能的一个重要参数，也是科学家们不断努力希望提高的一个指标。在实际应用中，很多工程师都会面临测量精度的各种问题：它与模数转换器的分辨率有什么区别?哪些因素会产生系统的测量噪声?对于工程师而言，又有哪些实用的技巧可以帮助提高这个指标?这些都是值得深究的问题。

在本文中，将针对测量精度最常见的五个问题予以详细的说明与解答。

迷思一：分辨率=测量精度吗

市面上12位分辨率的数据采集卡的精度都是一样的吗?这个问题困扰了不知多少工程师，而其实质就是分辨率与精度的概念区别。

分辨率通常指的是最大的信号经采样后可以被分成的最小部分，例如带12位模数转换器(ADC)的数采卡，当输入电压范围为±10V(即Vpp=20V)，那么它所能分辨到的最小电压就是20V/(212)=4.88mV。

相对而言，精度的概念是指测量值与“真实”值之间的最大偏差的绝对值。如图1所示，信号在整个数据采集系统中会受到参考量随时间、温度的飘移误差、随机误差、非线性误差、增益误差等影响，这些影响综合之后对测量结果所产生的影响就是我们所说的测量精度。

图1 误差的来源

因此，对于工程师而言，除了AD转换器的位数，更重要的是需要了解自己所购买的数据采集板卡的绝对精度指标，有时一块16位的数据采集卡的精度可能还不如一块设计良好的12位数据采集卡的精度。图2所示的NI 628X系列技术参数表中就详细列出了像增益误差、偏移误差、不确定噪声等各种误差值以及综合之后的绝对精度值，提供给客户以完整的信息，确保最终测量的准确性。

图2 NI 628x数据采集板卡的绝对精度表

迷思二：别让信号输在起跑线上

很多工程师会选用最高性能的数据采集卡，但是对于线缆和接线端子，则并不予以重视，而使用相对较低成本的产品。这种做法本身就是错误的，因为如果线缆和接线端子的质量不佳，那么在信号进入数据采集卡之前就已经受到了很大的噪声干扰，真正地让信号输在了“起跑线”上，即使后端的采集精度再高也已经于事无补。而为了防止这种情况的发生，使用带屏蔽功能的线缆与接线端子是有效的方法。

以前使用的线缆和接线端子都是没有经过专门屏蔽设计的(图3上面部分)，如今很多数据采集厂商(例如NI)都推出了带屏蔽的线缆与接线端子，此外双绞线的设计还可以有效避免通道间的互相干涉，从图中线缆的切面图中也可以看到(图3右下)，线缆为模拟信号线专门设置了3层的屏蔽。

图3 线缆与接线端子

此外，换一种思路，如果整个系统根本就没有线缆的话，那么岂不是可从根本上解决物理噪声引入的问题了?可喜的是，随着无线技术的不断发展，这个最初的设想已经成为了现实。一些基于Wi-Fi或者ZigBee等无线协议的数据采集产品已经问世，从而帮助工程师们摆脱线缆的困扰，通过无线的协议加密技术，可以大大降低信号的引入噪声。

迷思三：什么是接地环路

假设我们有一个数字万用表，将两个探头分别连在一间屋的两个插座的地上，你觉得万用表的读数是不是0?当然，答案显然不是0，这是由于线缆本身具有内阻值，以及功率分配波动等影响因素，两个地之间总会产生电势差，因此真正绝对意义的地并不存在。

那么，如果我们在测试电路中，将两个地连在一起之后，由于电势差的产生，那么就会产生电流，这也就是我们所说的“接地环路”现象。

接地环路会严重影响测试结果，例如，在图4所示的电路中，为了能够长时间监测一个电机的温度，在电机上连上一个热电偶传感器，由于电机箱是接地的，因此热电偶也接地，而数据采集设备地与电机箱地之间存在电势差，因此产生了电流。你可以注意到，加在测试信号的噪声可能是交流的，或者一个简单的直流偏移值，但最终无可避免地影响了测试精度。

图4 接地环路影响测试结果

为了避免接地环路，需要选择合适的接地模式，特别是在测量一个接地传感器时，应该尽量避免使用单端输入方式(RSE)，这种方式会直接在数据采集设备与传感器地间产生电流。如果使用的是差分方式(DIFF)，由于电路为开路，因此电流被制止，从而较好地抑制了接地环路。当然，相比于差分，通过隔离技术(见图5)，可以在不让两个地相连，分隔数据采集设备地的同时，保持数据值的传输，从而从根本上解决了环路问题.

图5 隔离技术解决接地环路问题

迷思四：软件的作用

作为一个完整的数据采集系统，软件在其中的作用日益得到重视，它除了可以为整个系统提供灵活性与可扩展性之外，还可以利用软件对采集得到的信号进行后处理，从而提高测量结果的正确性。

最常用的就是软件滤波技术，如果事先对所测得的信号情况已有一定的了解(例如知道信号中被引入了50Hz的电源噪声)，那么就可以针对性地对其后处理，从而还原更真实的信号。相比于传统的硬件级滤波，软件具有简单、灵活并且成本低廉等优势，与此同时，CPU日益提升的处理速度也已可完全胜任任何的滤波算法处理。

图6就是使用NI LabVIEW图形化开发平台实现软件滤波的实例，当信号具有一定噪声时，通过LabVIEW自带的滤波器VI，对信号进行低通滤波，滤除掉25Hz以上的噪声，从而得到原始信号(Fitered Signal)。

图6 使用LabVIEW实现软件滤波

当然，软件所能发挥的作用远非如此。在很多前沿应用时，一些原始的信号对研究来说也可能是噪声(例如对虎鲸叫声的分析时，海水的声音就是一种噪声)，对于这些问题，如果在软件中使用一些高级的信号处理算法(例如联合时频分析、小波分析等)就可以解决。例如，利用联合时频分析的高级算法，在 LabVIEW下成功截取到虎鲸的叫声，而将海水的声音与其他噪声都去除。因此，可以预见的是，软件在数据后处理方面将起到举足轻重的作用，从而帮助工程师得到自己所需要的信号与数据。

迷思五：重视校准

“时间能够冲淡一切”，这句话用于测试系统也同样受用，我们知道，时间的推移(持续工作的时间以及环境条件的影响)都会让任何仪器中的电子器件的精度产生偏差，从而给测量带来很大的不确定性。解决该问题的关键所在，就是必须定期对仪器和板卡进行校准。

一般而言，校准就是将仪器的当前性能与已知的标准精度进行比较，通过对仪器测量能力的调整，确保其测量精度在厂商提供的标准范围内。要想完成对一个仪器的外部校准，可以将其送回原厂，或者送至一个校准计量实验室进行校准。另一方面，在选择仪器的时候，工程师们需要仔细考虑外部校准时间间隔这个参数，这可以大大减少自动化测试系统的维护成本。

当然，作为一种在校准周期内改善仪器测量精度的方法，某些厂商的板卡或仪器还包含了非常实用的自校准功能，它们含有精确的电压参考源等硬件资源，可以随时快速地校准该仪器，从而减少因环境等因素造成的测量误差。

结论

几乎所有的工程应用对系统的测量精度都有着很严格的要求。它的概念并非分辨率那么简单，还涉及到很多其他影响因素(线缆、接线端子、接地环路现象等)，通过合理的布置与屏蔽可以抵制测量噪声的引入，也可以通过软件进行针对性的后处理，从而提高结果的准确度。当然，为了避免时间的影响，定时对仪器进行校准也是不容忽视的问题。