丁鼎 杜天鋆 符堃/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

當(dāng)今是數(shù)字化的時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究都與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)密不可分。作為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的核心，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能直接影響最終的測量結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速率是指采集通道在單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量，這個(gè)基本指標(biāo)在試驗(yàn)中十分重要。但是傳統(tǒng)的理論和試驗(yàn)都證明了采集速率和測量準(zhǔn)確度是一對(duì)互相矛盾的參數(shù)，通常采集速率的增加會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確度的降低，主要原因是采集速率的增加會(huì)降低抗干擾能力，同時(shí)附加隨機(jī)噪聲等誤差。在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上述特征并不明顯，但在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中就顯得尤為突出[6-7]。

本文采用工頻周期數(shù)（NPLC）代表采集速率，其中PLC與采樣電源的頻率有關(guān)，N代表倍數(shù)。我國的交流電是50 Hz，一個(gè)周期是0.02 s，即NPLC=1時(shí)采樣周期為0.02 s，NPLC=10時(shí)采樣周期為0.2 s。因此，NPLC越大，采樣周期越長，即采集速率越小。

本文通過采用不同的NPLC測試多量程的直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度，研究了采集速率對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用的主要設(shè)備是Fluke 2638A HYDRA Series III數(shù)據(jù)采集單元，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。信號(hào)源采用了Fluke 5520A多功能校準(zhǔn)器。直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度分別從校準(zhǔn)器輸出到數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行測量。

對(duì)于直流電壓的測試，首先將輸出的直流電壓固定為1 mV，NPLC設(shè)置為0.02。然后連續(xù)采集記錄500個(gè)樣本數(shù)據(jù)并計(jì)算它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差。下一步設(shè)置NPLC為0.2，再連續(xù)記錄500個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。以此類推，改變不同的NPLC并重復(fù)上述步驟，以研究1 mV下采集速率和測量準(zhǔn)確度之間的關(guān)系。之后，分別將直流電壓的輸出值變更為10 mV和100 mV，并重復(fù)上述步驟。電阻和鉑熱電阻溫度的測試方法基本同上，不同點(diǎn)是由于儀器設(shè)備的限制，NPLC缺少20和2兩檔。

表1 Fluke 2638A數(shù)據(jù)采集單元的技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直流電壓

直流電壓分別在 1 mV、10 mV 和 100 mV 的測試點(diǎn)下進(jìn)行測試，NPLC從0.02提高至200。

圖1展示了當(dāng)輸出電壓為1 mV時(shí)從數(shù)據(jù)采集單元采集的500個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，隨著NPLC的增加，其測試數(shù)據(jù)點(diǎn)的密集程度也在增加。當(dāng)NPLC為0.02，即采集速率達(dá)到最高時(shí)，用空白方框表示，采集的直流電壓在0.97 mV和1.03 mV之間變動(dòng)；當(dāng)NPLC為200，即采集速率保持最低時(shí)，用空白圓圈表示，采集的直流電壓上下限分別為1.000 04 mV 和 0.999 96 mV，表明通過降低采集速率可以顯著提高測量準(zhǔn)確度。然而，采集速率的降低意味著更長的測試周期，這對(duì)于實(shí)際的檢測過程是不實(shí)用的。因此，為了平衡采集速率和測量準(zhǔn)確度，找到最合適的NPLC就成為更重要的目標(biāo)。從圖1中可以明顯看出，當(dāng)NPLC從0.2增加到1時(shí)，測量準(zhǔn)確度有大幅提高，但繼續(xù)降低采集速率時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的密集程度并沒有出現(xiàn)較大的變化，說明當(dāng)輸出電壓為1 mV時(shí)，可以認(rèn)為1是NPLC的最優(yōu)值。

當(dāng)輸出電壓分別為10 mV和100 mV時(shí)又測試了500個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，與1 mV相比呈現(xiàn)出類似的變化趨勢。尤其是當(dāng)輸出電壓提高后，NPLC的最優(yōu)值仍然為1，反映出輸出電壓的大小對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的最優(yōu)采集速率影響較小。

圖1 直流電壓1 mV下的500個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)

表2總結(jié)了不同輸出電壓和NPLC下500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元以最高速率進(jìn)行采集時(shí)，三組輸出電壓下的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本相同，均為13～14 μV。當(dāng)NPLC大于1時(shí)，所有工況下的標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于0.4 μV，表明輸出的直流電壓值對(duì)相同采集速率下的測量準(zhǔn)確度影響不大。

2.2 電阻

電阻分別在1 Ω、10 Ω和100 Ω的測試點(diǎn)下進(jìn)行測試，NPLC從1提高至200。

表2 不同直流電壓和NPLC下的標(biāo)準(zhǔn)差

圖2 電阻1 Ω下的500個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)

圖2展示了當(dāng)輸出電阻為1 Ω時(shí)從數(shù)據(jù)采集單元采集的500個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)隨著NPLC的增加，數(shù)據(jù)點(diǎn)的密集程度也在不斷提高，但與直流電壓工況相比，其提高幅度較小。另一個(gè)不同點(diǎn)是，在輸出電阻工況下，1（空白方框）不再是NPLC的最優(yōu)取值。從圖中可以觀察到，當(dāng)NPLC從2 （圈內(nèi)叉）提高至10（正三角內(nèi)十字）后，測量準(zhǔn)確度呈現(xiàn)較大幅度的提升，但進(jìn)一步降低采集速率無法使準(zhǔn)確度獲得大幅提高。因此，10可以被認(rèn)為是用于測試1 Ω電阻的最優(yōu)NPLC。

當(dāng)輸出電阻分別為10 Ω和100 Ω時(shí)，500個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)值的變化趨勢均與圖2類似，最優(yōu)NPLC仍為10。

為了更直觀地證明上述結(jié)論，圖3展示了不同輸出電阻和NPLC下500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。值得注意的是，電阻值的變化會(huì)對(duì)測量準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響。1 Ω和10 Ω工況之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差基本類似。但當(dāng)輸出電阻增加到100 Ω時(shí)，測量準(zhǔn)確度會(huì)出現(xiàn)急劇下降，其原因可能是電阻值的提高會(huì)引入更多的附加噪聲誤差。

圖3 不同NPLC和電阻值下的標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 鉑電阻溫度

為了進(jìn)一步研究采集速率對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響，鉑熱電阻溫度也成為了測試參數(shù)之一。試驗(yàn)采用四線制測溫方法，測試步驟基本與電阻相同，溫度點(diǎn)分別為0 ℃、20 ℃、50 ℃和 100 ℃，NPLC 也包括1、2、10、20、100和200，每個(gè)工況下連續(xù)采集500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4展示了不同鉑熱電阻溫度和NPLC下的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，發(fā)現(xiàn)四條曲線的變化趨勢基本相同，證明在0～100 ℃的范圍內(nèi)，鉑熱電阻溫度值的變化對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響較小，主要原因是雖然溫度變化較大，但是實(shí)際鉑熱電阻值的變化較小。另外，當(dāng)NPLC從1提高至100時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差的衰減幅度較大，而繼續(xù)降低采集速率基本無法進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度。因此100可以認(rèn)為是用于測試鉑熱電阻溫度的最優(yōu)NPLC。

圖4 不同NPLC和鉑熱電阻溫度下的標(biāo)準(zhǔn)差

3 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了采集速率對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度的影響。測試設(shè)備以Fluke 2638A和5520A作為代表，使用不同的采集速率測試不同的直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度，并計(jì)算500個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測量準(zhǔn)確度的指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著采集速率的不斷降低，測試數(shù)據(jù)的密集程度在不斷增加，證明通過降低采集速率可以大幅提高測量準(zhǔn)確度。為了在保證測量準(zhǔn)確度的前提下，最大限度的節(jié)省測量時(shí)間，1、10和100可以分別作為測試直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度的最優(yōu)NPLC值，也說明最優(yōu)采集速率針對(duì)不同的測試參量也有較大的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，輸出的直流電壓值和鉑熱電阻溫度值對(duì)相同采集速率下的測量準(zhǔn)確度影響不大，但是電阻值的大小會(huì)對(duì)測量準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響，其可能的原因是電阻的提高會(huì)引入更多附加噪聲誤差。

為了進(jìn)一步探討采集速率和測量準(zhǔn)確度之間的關(guān)系，今后將對(duì)直流電流、交流電壓、熱電偶溫度等更多參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。