数据采集系统的关键性能指标

尽管有很多从事开发数据采集(DAQ)系统人员，但大多数都不是专业测试工程师。对DAQ没有经过正规技术训练，有经验的成员也较少。所以，要选择合适的系统可能有些困难。特别是，在为特定应用选择一个最好系统时，必须考虑DAQ接口的大量系统指标。

DAQ系统有很多不同功能，但模拟输入是绝大多数应用中的第一要素。测量温度、压力、应力、振力、电流、电压，都需要一个模拟输入。

　　通道数

所要考虑的是最容易和最明显的性能指标就是系统所需的通道数。系统在很多输入中，至少必须有你所希望测量的信号。

也应考虑耦合。首先考虑接口是否具有差分或单端输入。如果差分和单端输入都有，在说明产品通道数时，应加以注明，例如：16通道16位A/D板，都是指单端通道数。差分通道数是单端的一半。习惯上要考虑行业标准。

另一项考虑是否要有特别的模拟输入要求。例如，系统所用的传感器对环境温度非常敏感，而且是在室外环境下，进行精确测量时，必须测量传感器处的温度。在测量来自热电偶的温度时，至少需要一个输入通道用于冷端补偿。

　　分辨率

模拟输入通道的分辨率是指系统可以提供的测量值或范围。此性能指标通常用位表示，分辨率定义为2(#ofbits)。例如，8位分辨率相当于分辨率为28(或256)分之一。

与输入范围结合在一起，分辨率决定在输时，能检测多小的输入变化。为了建立工程单位的分辨率，用分辨率除输入范围。实际议程式需要用2(#ofbits)-1除输入范围。然而，对于10位以上的分辨率，所标定的系统性能，一般忽略误差。0到10V输入范围的16位输入提供10V/1216或152.6?V。

8位变换器通常用在特别高速应用中，而20位和24位变换器通常应用在需要更高分辨率和较低取样率的场合。表1给出DAQ系统中，所用变换器的分辨率比较。

 　   表1 通常用在DAQ系统中变换器分辨率和动态范围

动态范围是与分辨率有关的另一因数。动态范围是最小分辨率与输入满标之比。尽管动态范围在很多应用中不是关键性能指标，但当监控的信号对数标度作图时，动态范围是一个重要的考虑因素。

在声学、振动以及地震学应用中，动态范围是非常重要的。随着不太昂贵的24位A/D变换器的出现，可以又精确又经济地检控这些信号。

　　精度

尽管精度经常等同于分辨率，但它们不是相同的性能指标。仅仅因为一个模拟输入系统可以分辨1?V信号，但这不意味着输入是精确到1?V。对于1?V分辨率的系统，仅提供信号精确度到1mV，这是可能的。

例如，输入范围0~10的24位A/D变换器，具有0.596?V分辨率，但它仅提供1mV DC精度。用于音频系统的24位A/D变换器，具有2%量级的增益/满标误差不是罕见的。

对于电压，假定0~10V输入范围，分辨率是0.596?V，但是，DC精度可以低到20mV。20mV精度对于音频应用是完全足够的，但对温度或压力测量就不够好。当然，这是一种极端情况，尽管绝对精度不总是一个关键问题，但在很多应用中都关心它。记住，高分辨率不总能保证高精度。

分辨率总是不变的以位标定，而精度性能指标有广泛的术语分类。没有一种方法是标准的，这取决于应用，一种性能指标方法可能提供比另一种方法更多的理解。

模拟输入系统的主要误差贡献是输入偏移、增益误差、非线性度和固有的系统噪声。偏移、增益、积分非线性(INL)与输入噪声性能指标结合起来计算总输入精度。

有另外第2位贡献因数，但在大多数系统中可以忽略。图1示出理想输入系统与每种误差如何影响测量之间的关系。

　　图1 偏移、增益和INL误差的图线表示。

　　输入偏移

假定所有其他误差都是零，输入偏移是测量输入和实际输入电压之间恒定差值。例如，若输入偏移电压是+0.1V，则理想1V、2V和5V输入信号测量将分别提供读数1.1V、2.1V和5.1V。

在实际系统中，其他3个误差决不会是零，这使输入偏移测量复杂化。基于此原因，大多数性能指标定义输入偏移是在0V的测量误差。

某些DAQ产品提供自动调零能力。这种性能驱使输入偏移误差到零或至少到足够小的电平，使其贡献相对于其他误差不再是明显的。

　　增益误差

在说明此误差时，假定所有其他误差都是零。在此情况下，增益误差是实际系统和理想系统之间的每位电压斜率差。例如，增益误差是1%，则增益误差在1V应是10mV，而10V的误差应是10倍大的100mV。

在实现系统中，其他误差不是零，增益误差通常定义为满标读时的测量误差，例如，在0~10V范围实例中，假定10V或接近10V(如9.9V)时，误差是1mV，则增益误差标定是100X(0.001/10)或0.01%。对于较高精度的测量系统，增益误差往往标定百万分之几(ppm)，而不是几