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注冊計量師考試計量專業實務復習講義

數據采集設備中測量誤差問題

我們的日常工作經常要從顯示屏幕上讀取測量數據，如汽車儀表盤上用數字表示的速度、實驗室溫度，或者是示波器上所顯示的讀數。盡管我們很相信這些測量數據，但它們絕對不是百分之百準確的，汽車速度計上所顯示的速度很容易出現幾公里/小時的誤差，溫度測試也可能會相差好幾度。速度計上的小小誤差還不是什么大問題，但當我們建立一個專業的測量和數據采集系統時，認識可能存在的最大誤差是非常重要的。任何數字測量系統都存在一個局限，即代表實際測量值的數字是有限的，其最大數量由所使用的位數決定。例如一個8位二進制數有28=256個可能值，如果某個速度計使用8位來表示0到255公里/小時范圍的速度，則速度值將以1公里/小時的間隔進行顯示，因此司機總會有約0.5公里/小時的誤差，這類誤差稱為量化誤差。如果速度范圍是0到127公里/小時，那么這256個可能值就被擠入一個更小的空間，誤差也相應減小了一半。

認為量化誤差是僅有的測量誤差是一個危險的錯誤，但也是一個常見錯誤。各類測量設備包括數據采集產品的產品資料和目錄中一般關注幾個指標：分辨率、測量范圍、采樣率和帶寬，其中分辨率就是用來代表信號實際值的二進制數字的長度，一般從8位到24位，它只會影響量化誤差。

多功能數據采集板分辨率一般為12位和16位，量化誤差僅占整個測量誤差的很小一部分，其它還包括非線性誤差、系統噪聲和溫度漂移誤差，這些都可能對結果造成很大影響，具體要看板的設計和應用條件。

非線性誤差和量化有關。如上所述，量化誤差與數據采集板有效范圍除以代表測量值的二進制數可能狀態數的結果成正比，等于相鄰測量值間隔的一半。在實際設備中，離散的各值之間距離并不總是相同的，這種現象造成了非線性誤差。非線性誤差非常難于校正，因為它要求對高精度信號源進行多次測量才能完成。對線性誤差校正則比較容易，線性誤差包括增益和偏移誤差，兩個都可以很簡單地憑借y=mx+b等式糾正，對一個高精度信號或已知信號源進行一次測量足以修正線性誤差。大多插入式數據采集板都能提供這種信號以修正線性誤差，信號源的質量和糾正難易程度因不同供應商而有所不同。2012年注冊計量師考試時間

系統噪聲造成信號實際值出現隨機偏差，噪聲類型和大小導致不同的測量誤差。開關電源、發熱以及其它板上信號源引起的噪聲等一般都可以歸入系統噪聲，有些信號源在技術上還會產生非隨機測量誤差。根據線路板的設計和具體情況，系統噪聲有時候可以改善測量的精度。數據采集板實際上可以憑借一種稱為抖動的技術提高分辨率，使其超出規定的指標。抖動有時由軟件命令控制，該技術將一個均方根振幅差不多等同于量化誤差的高斯噪聲疊加到信號上，因為噪聲是隨機的，軟件可以在對測量結果取平均值時用取平均的方法將采集板規定指標放大，從而使測試結果更加準確，使用抖動技術時一個12位采集板可以達到14位分辨率。你也可在高速應用中關閉抖動功能，這樣就不用取平均值。16位數據采集板在設計正確時實際可以執行18位分辨率而無需抖動，通常16位板上的自然系統噪聲情況比較好，可返回多個測量值取平均。 另一個經常被忽略的是溫度漂移誤差，計算機或臺式測量儀器的溫度都會發生變動，計算機系統中的數據采集板一般工作在0到55℃溫度范圍，定制的電阻網絡和高精度元件可以幫助把溫度漂移維持在6ppm/℃以內。另外，數據采集板常常會調用一個自校正函數，將溫度漂移維持在更低的水平（約0.6ppm/℃）。有些板上有溫度傳感器測量環境溫度，可用編程的方法用一個簡單的函數調用從該傳感器獲取信息，確保元件在規定的范圍內工作。

完全精確的計算是非常乏味和令人頭疼的，但是對整體精確性做更進一步了解則用不著這樣費勁。遺憾的是，數據采集板還沒有表明整體精確性的一個通用標準，實踐中供應商各用不同的方法來說明精度，在極端的情況下，使用同一術語的兩個供應商描述的可能是不同的精度度量標準，例如他們的"絕對精度"可能就是從不同的等式中得到。

將幾個主要誤差源產生的誤差作一個簡單相加通常足以反映系統總體測量誤差，大部分數據采集板的手冊都會給出這些參數，但其中所用的術語和單位可能不盡相同。開發測試系統的最好方法是首先寫下誤差的最大值，即測量可允許誤差，然后選擇一些具有軟件和技術支持以便能很快開發出測量系統的數據采集板，最后仔細閱讀手冊確保這些板達到精度要求，一個簡單的通用原則是16位板大約比12位板精確10倍。數據采集板具有多種不同的總線，包括PXI、USB和PCI，它們各有不同的特點，一旦精度指標確定以后，剩下的選擇最佳數據采集板的工作就變得相對容易了。

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