中心議題：

• 測量精度的五大要點

對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)而(er)言(yan)，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)是(shi)評(ping)估(gu)其(qi)性(xing)能(neng)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)參(can)數(shu)，也(ye)是(shi)科(ke)學(xue)家(jia)們(men)不(bu)斷(duan)努(nu)力(li)希(xi)望(wang)提(ti)高(gao)的(de)一(yi)個(ge)指(zhi)標(biao)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，很(hen)多(duo)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)會(hui)麵(mian)臨(lin)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)各(ge)種(zhong)問(wen)題(ti)：它(ta)與(yu)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)有(you)什(shen)麼(me)區(qu)別(bie)？哪(na)些(xie)因(yin)素(su)會(hui)產(chan)生(sheng)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)？對(dui)於(yu)工(gong)程(cheng)師(shi)而(er)言(yan)，又(you)有(you)哪(na)些(xie)實(shi)用(yong)的(de)技(ji)巧(qiao)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)提(ti)高(gao)這(zhe)個(ge)指(zhi)標(biao)？這(zhe)些(xie)都(dou)是(shi)值(zhi)得(de)深(shen)究(jiu)的(de)問(wen)題(ti)。
　　
在本文中，將針對測量精度最常見的五個問題予以詳細的說明與解答。
　　
迷思一：分辨率=測量精度嗎
　　
市麵上12位分辨率的數據采集卡的精度都是一樣的嗎
？這個問題困擾了不知多少工程師，而其實質就是分辨率與精度的概念區別。
　　
分辨率通常指的是最大的信號經采樣後可以被分成的最小部分，例如帶12位模數轉換器（ADC）的數采卡，當輸入電壓範圍為±10V（即Vpp=20V），那麼它所能分辨到的最小電壓就是20V/(212)=4.88mV。
　　
相對而言
，精度的概念是指測量值與“真實”值之間的最大偏差的絕對值。如圖1所示

，信號在整個數據采集係統中會受到參考量隨時間
、溫度的飄移誤差、隨機誤差、非線性誤差
、增益誤差等影響，這些影響綜合之後對測量結果所產生的影響就是我們所說的測量精度。


圖1誤差的來源
　　
因此，對於工程師而言

，除了AD轉換器的位數，更重要的是需要了解自己所購買的數據采集板卡的絕對精度指標，有時一塊16位的數據采集卡的精度可能還不如一塊設計良好的12位數據采集卡的精度。圖2所示的NI628X係列技術參數表中就詳細列出了像增益誤差、偏移誤差、不確定噪聲等各種誤差值以及綜合之後的絕對精度值，提供給客戶以完整的信息
，確保最終測量的準確性。


圖2NI628x數據采集板卡的絕對精度表
　　
迷思二：別讓信號輸在起跑線上
　　
很多工程師會選用最高性能的數據采集卡
，但是對於線纜和(he)接(jie)線(xian)端(duan)子(zi)

，則(ze)並(bing)不(bu)予(yu)以(yi)重(zhong)視(shi)
，而(er)使(shi)用(yong)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)產(chan)品(pin)。這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)本(ben)身(shen)就(jiu)是(shi)錯(cuo)誤(wu)的(de)
，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)線(xian)纜(lan)和(he)接(jie)線(xian)端(duan)子(zi)的(de)質(zhi)量(liang)不(bu)佳(jia)
，那(na)麼(me)在(zai)信(xin)號(hao)進(jin)入(ru)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)卡(ka)之(zhi)前(qian)就(jiu)已(yi)經(jing)受(shou)到(dao)了(le)很(hen)大(da)的(de)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)，真(zhen)正(zheng)地(di)讓(rang)信(xin)號(hao)輸(shu)在(zai)了(le)“起跑線”上
，即使後端的采集精度再高也已經於事無補。而為了防止這種情況的發生，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有經過專門屏蔽設計的（圖3上麵部分）
，如今很多數據采集廠商（例如NI）都推出了帶屏蔽的線纜與接線端子，此外雙絞線的設計還可以有效避免通道間的互相幹涉，從圖中線纜的切麵圖中也可以看到（圖3右下），線纜為模擬信號線專門設置了3層的屏蔽。


圖3線纜與接線端子
　　
ciwai，huanyizhongsilu，ruguozhenggexitonggenbenjiumeiyouxianlandehua，nameqibushikeconggenbenshangjiejuewulizaoshengyinrudewentile？kexideshi
，suizhewuxianjishudebuduanfazhan
，zhegezuichudeshexiangyijingchengweilexianshi。yixiejiyuWi-Fi或者ZigBee等無線協議的數據采集產品已經問世，從而幫助工程師們擺脫線纜的困擾，通過無線的協議加密技術，可以大大降低信號的引入噪聲。
　　
迷思三：什麼是接地環路
　　
假設我們有一個數字萬用表，將兩個探頭分別連在一間屋的兩個插座的地上，你覺得萬用表的讀數是不是0？當然
，答案顯然不是0


，這是由於線纜本身具有內阻值，以及功率分配波動等影響因素，兩個地之間總會產生電勢差，因此真正絕對意義的地並不存在。
　　
那麼，如果我們在測試電路中，將兩個地連在一起之後，由於電勢差的產生
，那麼就會產生電流
，這也就是我們所說的“接地環路”現象。
　　
接地環路會嚴重影響測試結果
，例如，在圖4所(suo)示(shi)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)，為(wei)了(le)能(neng)夠(gou)長(chang)時(shi)間(jian)監(jian)測(ce)一(yi)個(ge)電(dian)機(ji)的(de)溫(wen)度(du)
，在(zai)電(dian)機(ji)上(shang)連(lian)上(shang)一(yi)個(ge)熱(re)電(dian)偶(ou)傳(chuan)感(gan)器(qi)，由(you)於(yu)電(dian)機(ji)箱(xiang)是(shi)接(jie)地(di)的(de)，因(yin)此(ci)熱(re)電(dian)偶(ou)也(ye)接(jie)地(di)，而(er)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)設(she)備(bei)地(di)與(yu)電(dian)機(ji)箱(xiang)地(di)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)電(dian)勢(shi)差(cha)
，因(yin)此(ci)產(chan)生(sheng)了(le)電(dian)流(liu)。你(ni)可(ke)以(yi)注(zhu)意(yi)到(dao)，加(jia)在(zai)測(ce)試(shi)信(xin)號(hao)的(de)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)是(shi)交(jiao)流(liu)的(de)，或(huo)者(zhe)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)直(zhi)流(liu)偏(pian)移(yi)值(zhi)，但(dan)最(zui)終(zhong)無(wu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)影(ying)響(xiang)了(le)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)。


圖4接地環路影響測試結果
　　
為了避免接地環路，需要選擇合適的接地模式，特別是在測量一個接地傳感器時，應該盡量避免使用單端輸入方式（RSE）
，這種方式會直接在數據采集設備與傳感器地間產生電流。如果使用的是差分方式（DIFF）
，由於電路為開路，因此電流被製止

，從而較好地抑製了接地環路。當然
，相比於差分，通過隔離技術（見圖5），可以在不讓兩個地相連
，分隔數據采集設備地的同時
，保持數據值的傳輸
，從而從根本上解決了環路問題.


圖5隔離技術解決接地環路問題
　　
迷思四：軟件的作用
　　
作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)
，軟(ruan)件(jian)在(zai)其(qi)中(zhong)的(de)作(zuo)用(yong)日(ri)益(yi)得(de)到(dao)重(zhong)視(shi)
，它(ta)除(chu)了(le)可(ke)以(yi)為(wei)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)靈(ling)活(huo)性(xing)與(yu)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)之(zhi)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)軟(ruan)件(jian)對(dui)采(cai)集(ji)得(de)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)後(hou)處(chu)理(li)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)的(de)正(zheng)確(que)性(xing)。

最常用的就是軟件濾波技術，如果事先對所測得的信號情況已有一定的了解（例如知道信號中被引入了50Hz的電源噪聲），那麼就可以針對性地對其後處理，從而還原更真實的信號。相比於傳統的硬件級濾波，軟件具有簡單、靈活並且成本低廉等優勢，與此同時
，CPU日益提升的處理速度也已可完全勝任任何的濾波算法處理。
　　
圖6就是使用NILabVIEW圖形化開發平台實現軟件濾波的實例，當信號具有一定噪聲時，通過LabVIEW自帶的濾波器VI，對信號進行低通濾波

，濾除掉25Hz以上的噪聲，從而得到原始信號（FiteredSignal）。


圖6使用LabVIEW實現軟件濾波
　　
當然
，軟件所能發揮的作用遠非如此。在很多前沿應用時
，一些原始的信號對研究來說也可能是噪聲（例如對虎鯨叫聲的分析時，海水的聲音就是一種噪聲），對於這些問題，如果在軟件中使用一些高級的信號處理算法（例如聯合時頻分析、小波分析等）就可以解決。例如，利用聯合時頻分析的高級算法
，在LabVIEW下xia成cheng功gong截jie取qu到dao虎hu鯨jing的de叫jiao聲sheng

，而er將jiang海hai水shui的de聲sheng音yin與yu其qi他ta噪zao聲sheng都dou去qu除chu。因yin此ci，可ke以yi預yu見jian的de是shi，軟ruan件jian在zai數shu據ju後hou處chu理li方fang麵mian將jiang起qi到dao舉ju足zu輕qing重zhong的de作zuo用yong
，從cong而er幫bang助zhu工gong程cheng師shi得de到dao自zi己ji所suo需xu要yao的de信xin號hao與yu數shu據ju。
　　
迷思五：重視校準
　　
“時間能夠衝淡一切”
，這句話用於測試係統也同樣受用，我們知道，時間的推移（持續工作的時間以及環境條件的影響）douhuirangrenheyiqizhongdedianziqijiandejingduchanshengpiancha，congergeiceliangdailaihendadebuquedingxing。jiejuegaiwentideguanjiansuozai，jiushibixudingqiduiyiqihebankajinxingxiaozhun。
　　
一yi般ban而er言yan
，校xiao準zhun就jiu是shi將jiang儀yi器qi的de當dang前qian性xing能neng與yu已yi知zhi的de標biao準zhun精jing度du進jin行xing比bi較jiao，通tong過guo對dui儀yi器qi測ce量liang能neng力li的de調tiao整zheng
，確que保bao其qi測ce量liang精jing度du在zai廠chang商shang提ti供gong的de標biao準zhun範fan圍wei內nei。要yao想xiang完wan成cheng對dui一yi個ge儀yi器qi的de外wai部bu校xiao準zhun，可ke以yi將jiang其qi送song回hui原yuan廠chang，或huo者zhe送song至zhi一yi個ge校xiao準zhun計ji量liang實shi驗yan室shi進jin行xing校xiao準zhun。另ling一yi方fang麵mian


，在zai選xuan擇ze儀yi器qi的de時shi候hou，工gong程cheng師shi們men需xu要yao仔zai細xi考kao慮lv外wai部bu校xiao準zhun時shi間jian間jian隔ge這zhe個ge參can數shu
，這zhe可ke以yi大da大da減jian少shao自zi動dong化hua測ce試shi係xi統tong的de維wei護hu成cheng本ben。
　　
dangran，zuoweiyizhongzaixiaozhunzhouqineigaishanyiqiceliangjingdudefangfa，mouxiechangshangdebankahuoyiqihaibaohanlefeichangshiyongdezixiaozhungongneng
，tamenhanyoujingquededianyacankaoyuandengyingjianziyuan

，keyisuishikuaisudixiaozhungaiyiqi，congerjianshaoyinhuanjingdengyinsuzaochengdeceliangwucha。
　　
幾乎所有的工程應用對係統的測量精度都有著很嚴格的要求。它的概念並非分辨率那麼簡單，還涉及到很多其他影響因素（線纜、接線端子、接地環路現象等）
，通(tong)過(guo)合(he)理(li)的(de)布(bu)置(zhi)與(yu)屏(ping)蔽(bi)可(ke)以(yi)抵(di)製(zhi)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)的(de)引(yin)入(ru)

，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)軟(ruan)件(jian)進(jin)行(xing)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)後(hou)處(chu)理(li)

，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)結(jie)果(guo)的(de)準(zhun)確(que)度(du)。當(dang)然(ran)
，為(wei)了(le)避(bi)免(mian)時(shi)間(jian)的(de)影(ying)響(xiang)，定(ding)時(shi)對(dui)儀(yi)器(qi)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)也(ye)是(shi)不(bu)容(rong)忽(hu)視(shi)的(de)問(wen)題(ti)。