数据采集系统计量标准建立中的几个问题

作者：佚名信息来源:电子市场 2007-4-26

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叙述了数据采集系统计量标准建立中的几个问题，包括校准系统的构成、校准项目、校准方法、校准设备的选择，以及影响有关指标校准不确定度的几个因素。关键词：数据采集，计量标准，评价，校准，指标数据采集系统是一种应用十分广泛的模拟量线性测量设备，随着计算机技术的不断进步及数字化测量技术的飞速发展，其应用前景...

叙述了数据采集系统计量标准建立中的几个问题，包括校准系统的构成、校准项目、校准方法、校准设备的选择，以及影响有关指标校准不确定度的几个因素。

　　关键词：数据采集，计量标准，评价，校准，指标

　　数据采集系统

一种应用十分广泛的模拟量线性测量设备，随着计算机技术的不断进步及数字化测量技术的飞速发展，其应用前景日趋广阔。并且，以往的传统仪器分类界限正在被其打破，许多新型的仪器设备，实际上就是数据采集系统加上一些辅助功能而成，如：数据采集系统加上触发功能，构成了瞬态波形记录仪；数据采集系统加上显示功能，组成数字存储示波器系统；数据采集系统加上频谱分析功能，就成了频谱分析仪。以数据采集系统与计算机系统相结合，配备信号处理与分析等软件技术而开发出来的被称为虚拟仪器的系统，则将数据采集系统的

种功能与潜力发挥到了极致，诸如：数字多用表、数字存储示波器、失真度分析仪、频谱分析仪、动态信号分析仪、功率表、频率计、逻辑分析仪等均可在虚拟仪器系统中实现，数据采集系统的应用潜力由此可见一斑。可想而知，数据采集系统性能指标的计量评价问题也一直为用户所至为关心。本文主要讨论数据采集系统计量标准建立中的几个问题，包括校准项目、校准方法、以及校准设备的选取和不确定度分析。

1　主要校准项目及校准方法

　　数据采集系统的指标，均可作为其校准项目［1,2］，一般可以将其特性指标按照测量特性分为：
　　① 静态测量特性：主要包括输入电阻、A/D转换位数、误差限、量程、直流增益、线性度、直流偏移、时间漂移和温度漂移等。简单地说，这是一类只需加载静态信号便可获取的性能指标，最为基本。
　　② 动态测量特性：主要包括频带宽度、采样速率、交流增益、动态有效位数、信噪比等。可以说，这是一类只能在加载动态信号下才可获取的指标。
　　③ 瞬态测量特性：主要包括上升时间、预冲、过冲、顶部不平度和建立时间等时域阶跃响应

数，以及传递函数、幅频特性、相频特性等频域特性参数。这是一类只能在加载瞬态信号下才可获取的指标。
　　④ 噪声及抗干扰特性指标：主要包括随机噪声、通道间串扰、串模抑制比、通道间隔离度、差分输入共模抑制比等。可以理解为，反映数字化测量设备对“自身”和“外界”两类干扰抑制能力方面的性能指标均属这类指标。
　　⑤ 其他特性指标：如通道间延迟时间差等。

　　如果用户只需要测量记录静态或缓慢变化的准静态信号，则不仅需要将注意力主要集中在静态测量特性指标上面，可以主要校准静态指标。

　　如用户需要测量记录瞬变或稳态过程的交变信号，则不仅需要将注意力集中在静态特性指标上面。而且需要考虑其动态测量特性指标和瞬态测量特性指标是否能满足自身的需要。这时，将要求对其进行较全面校准。

　　若用户环境是电气环境比较恶劣的工业现场，则还必须注意抗干扰特性指标。如抗共模信号的范围、共模抑制比的大小等，以判定其是否适用于应用场合，能否满足需要。这时抗干扰指标校准将十分重要。
　　每一项指标的精确评价，一般都需使用模型化的精密测量方法。该过程一般需要经过两个步骤：
　　① 建立数字化测量系统的数学模型，并用数据处理方法求出模型参数；
　　② 通过模型参数与被评价指标的关系来最终确定被评价的实际指标。具体到实际应用中，到目前为止的做法［1,2］是：
　　 使用直线方程（直线模型）描述静态数学模型，用端基直线法［1］（或其他方法［2］）处理获得模型参数，并进而获得其静态测量特性指标参数，如线性度、误差限等。
　　 用正弦信号激励动态响应，用正弦模型描述其输入输出波形，使用最小二乘拟合法获得其动态测量特性指标［2］。如交流增益、动态有效位数、信噪比等。用计数法评价采集速率［1］。
　
　 用阶跃响应模型描述其瞬态测量特性［3］。如上升时间、预冲、过冲、顶部不平度和建立时间等时域阶跃响应参数。经进一步使用模式识别方法可以获得其传递函数、幅频特性、相频特性等频域特性模型［4］。

　　 用能量累加模型来描述其抗干扰特性［1,2］，可获得其抗干扰指标。如：通道间串扰、通道隔离度和共模抑制比等的精确评价。

　　以上各项指标及其评价方法，构成了对数字化测量系统性能总体评价的基础，它们的不同组合可以勾划出其不同方面的基本特性。

2　工作原理及系统构成

　　如图1所示，数据采集系统校准系统由硬件和软件两部分组成。其硬件部分由标准信号源(包括标准直流电压源、正弦交流电压源和快沿脉冲信号源等)、匹配器、通用接口、计算机系统、打印机等组成。校准系统中的软件系统是除了硬件系统以外的其他组成部分，包括校准方法、规范条件和所需的软件程序。本校准系统的软件程序，主要包括：① 采集传送程序;② 通信接口程序;③ 数据转换程序;④ 校准评价软件;⑤ 证书结果打印。

图1　数据采集系统校准系统总框图

　　本校准系统中，数据采集系统的评价采用传统的“标准信号源方法”，亦称为“黑箱评价法”。即，假设对被评价的仪器内部特征一无所知，给其加载不同种类的特定信号，通过其对这些信号的响应特性来最终评价系统的性能指标。

3　不确定度分析

　　数据采集系统计量标准的不确定度分析是一项非常重要的工作，有了它，们才可以明确被校准指标的不确定度，也才能正确判定被校设备之优劣及合格与否。不同指标的不确定度来源与影响程度均不一样，应分别予以分析；另外，不确定度与测量评价方法紧密相关，对于同一指标参数，不同评价方法所具有的不确定度差别可相当大，本文涉及的不确定度分析，是基于家有关计量法规［1,2］所用方法之上进行的。由于计量测试技术也是在发展中，并不是所有指标参数的不确定度分析问题均已获得了解决，有一些方法以及参数的不确定度问题，如模式识别参数等尚未有明确的结论，还有待于进一步的技术进步。

　　数据采集系统校准系统的不确定度σT，主要来源：
　　① 校准环境温度、湿度及其他因素变化的影响σH;
　　② 校准原理、方法及校准软件造成的不确定度σY;
　　③ 校准用信号源或测量设备不确定度σS。

　　校准环境温度、湿度及其他因素变化的影响，通过限定校准环境条件来消除。校准原理、方法误差，通过方法和原理的选取消除或限定。校准软件造成的不确定度，通过仿真进行估计。

　　直线最小二乘法评价直流增益与直流偏移时，其不确定度主要来源是评价方法和直流信号源，参考文献［5］中已经详细论述。

　　正弦波拟合法评价动态有效位数和信噪比，不确定度主要来源是信号源总失真度、数据采集系统测量误差、以及软件带来的误差，参考文献［6］中已经详细论述。

　　正弦波拟合法评价采集速率不确定度主要来源是信号源频率误差、数据采集系统时钟误差、以及采集序列度带来的计数误差，参考文献［7］中已经详细论述。

　　正弦波拟合法评价交流增益和直流偏移以及通道间延迟时间差，不确定度主要来源是信号源总失真度、信号源频率误差、数据采集系统测量误差、以及软件带来的误差，参考文献［8］中已经详细论述。

　　关于正弦波拟合软件带来的不确定度，应用仿真加以确定，参考文献［9］有其评价方法详述。

　　另外要注意的是，正弦波拟合法评价仪器系统指标时，采集序列长度和信号周期数对其不确定度也有影响，一般说来，其他条件不变时，增加采集序列长度和增加信号周期数均可降低评价不确定度［8］。

4　标准设备及其指标选取

　　总的说来，数据采集系统计量标准是一个组合系统。其所需的标准设备种类依赖于所要校准评价的指标，指标多，则标准信号源的种类就可能增多。而对信号源的性能指标要求，来源于对各个被评价指标的不确定度分析结论和用户对被校准指标自身的不确定度要求，不宜统一划定。

　　按照数据采集系统校准规范要求，数据采集系统计量标准仅需配备直流标准信号源和正弦交流信号源即可，若对其瞬态特性进行校准，则还需方波信号源。

　　直流标准信号源用来评价输入电阻、误差限、线性度、直流增益、直流偏移、随机噪声、时间漂移、温度漂移、通道间串扰、直流共模抑制比等指标。

　　由于数据采集系统计量标准自身（包括软件和硬件）的总误差应小于被校系统误差的1/4，而在上述使用直流信号源的指标评价过程中，软件运算带来的误差与硬件误差相比，一般可以忽略。因此，用于评价上述指标的直流信号源的总误差应小于被校系统相应误差的1/4。为校准调节方便，直流信号源的调节细度、稳定度及纹波系数等引起的最大误差应不大于被校数据采集系统分辨力的1/4。

　　用于评价随机噪声和误差限指标时，要求信号源噪声与被评价系统噪声相比，可以忽略，即信号源噪声电平不大于被校系统噪声电平的1/4。

　　在评价直流共模抑制比时，要求直流信号源有浮地输出功能，否则无法进行该项指标的校准。

　　正弦交流信号源用来评价频带宽度、采集速率、交流增益、动态有效位数、信噪比、时基误差、时间测量误差、幅频特性、通道间延迟时间差和交流共模抑制比等指标。

　　对幅频特性和频带宽度的评价，一般无严格的准确度方面的要求，仅要求在其频率范围内，正弦信号幅度平直度优于0.5 dB。
　
　用计数法评价校准采集速率时，仅要求正弦信号频率误差优于采集速率误差的1/4。

　　对动态有效位数和信噪比的评价，要求正弦信号的失真度小于被校系统幅度测量不确定度的1/4，以比例方式表示为：总失真度≤0.25/信噪比。

　　对交流增益评价时，除了满足动态有效位数评价条件外，还要求其信号源的幅度误差≤(被校系统幅度测量误差)/4。

　　用于交流共模抑制比评价的正弦交流信号源，要求具有浮地输出性能。

　　对通道间延迟时间差评价时，对信号源的失真度、频率误差均有要求，要求信号源同时满足：总失真度绝对值优于被校系统信噪比+9 dB，正弦信号频率误差优于采集速率误差的1/4。

　　方波信号源可用于评价数据采集系统的瞬态特性，这里对方波信号源的要求是其上升沿（或下降沿）的上升时间应小于数据采集系统上升时间的1/4，且信号频率误差优于采集速率误差的1/4。其频率分辨力应较高，其频率变化引起的时间分辨力应小于采样时间间隔的1/10，以便能激励并获得其瞬态特性。

5　主要技术要求

　　数据采集系统种类繁多且复杂，故应配有详细的原理图纸、使用说明书及相应的软件资料。另外，校准数据采集系统并不是也不同于为其确定指标，为在校准前对其有必要的了解和校准后对结果有个基本判断，要求其具备并提供所有被校指标，其中且包括：① 输入电阻；② 频带宽度；③ 模数转换位数；④ 量程；⑤ 供电源；⑥ 采集速率；⑦ 通道数；⑧ 数据容量等。其可靠性、安全性、24 h连续工作性能应予以保证，以确保被校数据采集系统是一个性能稳定且成熟的产品。对输入输出线的长度应提出要求，因为随着输入输出线长度的增长，某些指标的评价结果将下降，而过短的连线所获得的评价结果在实际中将无法使用。

6　结束语

　　以上所述，是数据采集系统计量标准建立中的几个主要问题，远不是问题的全部，实际上，数据采集系统校准技术仍处在不断发展中，问题远没有获得全部解决，并且，就已经解决的这些问题来看，也并非没有值得讨论之处，所有这些，都将有赖于有关专业技术人员去不断探索和努力。

参考文献
　1　JJG 1048-95，数据采集系统校准规范.中华人民共和国国家计量技术规范.国家技术监督局，1995
　2　JJF 1057-1998，数字存储示波器.中华人民共和国国家计量技术规范.国家质量技术监督局，1998
　3　梁志国,朱济杰.用周期倍差法评价数据采集系统的动态特性.中国计量测试学术大会论文集，中国计量测试学会，1998.11:1091～1095
　4　梁志国，朱济杰.用周期倍差法评价数据采集系统的传递函数.中国计量测试学术大会论文集，中国计量测试学会，1998.11:1096～1100
　5　丁振良.误差理论与数据处理.哈尔滨工业大学出版社，1987.8
　6　梁志国等.信号源失真对数据采集系统动态有效位数评价的影响及修正.全国计量测试学术大会论文集，中国计量测试学会，1998.11:1101～1105
　7　梁志国等.数据采集系统通道采集速率评价中的几个问题.航空计测技术，1996,(3):16～19
　8　Deyst J P,Soulders T M,and Solomon O M Jr.Bounds on Least-Squares Four-Parameter Sine-Fit Errors Due to Harmonic Distortion and Noise.IEEE Trans. Instru. Meas.,1995,44(3):637～642
　9　Liang Z, et al.Evaluation of the Software of Sine Wave Curve-fit. 中国兵工学会第3届测试技术国际研讨会论文集，1999.6