數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的測試和評價(jià)方法

肖天雷 龔文彬 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的測試和評價(jià)方法

肖天雷 龔文彬 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的成因。根據(jù)JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》分別對直流信號對直流通道、交流信號對直流通道以及交流信號對交流通道的串?dāng)_能力進(jìn)行測試、計(jì)算和評價(jià)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。研究結(jié)果表明了對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_評價(jià)的重要性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通道間串?dāng)_；評價(jià)方法

0 引言

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模塊）能夠通過不同的傳感器將相應(yīng)的測量信號轉(zhuǎn)為電信號［1］，從而實(shí)現(xiàn)對溫度、電信號、壓力、位移等參數(shù)的測量和處理，是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。所以，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定期校準(zhǔn)是必不可少的。

目前，國內(nèi)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢測項(xiàng)目一般包括電壓、電流等信號的示值誤差。隨著工業(yè)設(shè)備的不斷升級和改造，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道數(shù)量也在不斷增加，這將不可避免地引起通道間串?dāng)_。例如在功率測量過程中，電流和電壓通道之間產(chǎn)生的串?dāng)_會影響功率計(jì)算的準(zhǔn)確性［2］。所以，在一定的情況下，有必要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道間串?dāng)_能力進(jìn)行評價(jià)。

現(xiàn)行的JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》［3］對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道間串?dāng)_提供了校準(zhǔn)依據(jù)。它描述了利用直流電壓源作為干擾信號源，對相鄰?fù)ǖ赖淖x數(shù)進(jìn)行測量的方法，并以串?dāng)_抑制比SCRR作為評價(jià)結(jié)果。然而，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍并非局限于直流信號，例如，傳統(tǒng)功率測量就需要采集50 Hz/60 Hz的交流信號。所以，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_項(xiàng)目的校準(zhǔn)中，僅僅考慮直流信號對直流通道產(chǎn)生的串?dāng)_是不全面的。

本文首先介紹通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因和影響，再擴(kuò)展JJF 1048-1995中的要求，對不同信號產(chǎn)生的通道間串?dāng)_進(jìn)行測量和計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用多路模擬開關(guān)按照一定的時序?qū)Ω鱾€通道進(jìn)行循環(huán)采集，再通過時分復(fù)用的方式進(jìn)行量化。然而，由于集成化程度的不斷提高，與多路模擬開關(guān)輸入端相連接的相鄰導(dǎo)線或引腳之間必然存在寄生電容。

電容具有通交流阻直流、通高頻阻低頻的特點(diǎn)，所以對于交流信號，必定會通過寄生電容對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生干擾。而對于直流信號，在模擬開關(guān)的循環(huán)切換過程中，切換動作會引起一定時間內(nèi)的電壓抖動。由于該抖動為交流信號，所以也會通過寄生電容影響相鄰?fù)ǖ溃?］。

2 通道間串?dāng)_的影響

大型設(shè)備由于接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號數(shù)量和類型較多，更容易產(chǎn)生通道間串?dāng)_，如焓差試驗(yàn)臺中的直流電壓和電阻信號，風(fēng)洞試驗(yàn)中的交流電壓和直流電壓等。由于寄生電容的作用，干擾信號會與采樣信號發(fā)生疊加，從而產(chǎn)生不必要的噪聲，這在一定程度上影響采樣信號的準(zhǔn)確性。這種情況在干擾源頻率較高時尤為明顯。

另外，對于直流信號而言，由多路模擬開關(guān)的切換產(chǎn)生的電壓抖動雖然會在短時間內(nèi)恢復(fù)，但在高采樣頻率條件下，如果受到串?dāng)_的信號沒有在A/ D轉(zhuǎn)換器采樣之前恢復(fù)，勢必會影響采樣而造成轉(zhuǎn)換誤差［5］，降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

3 通道間串?dāng)_的評價(jià)

3.1 測試方法

參照J(rèn)JF 1048-1995，采用如圖1的接線方法，就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直流信號對直流通道、交流信號對直流通道和交流信號對交流通道的通道串?dāng)_能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將通道CHn與多功能校準(zhǔn)器相連接，將相鄰?fù)ǖ繡Hn+1與1 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻R0相連接。此外，干擾通道選取最大量程，相鄰的采樣通道選取最小量程，參照J(rèn)JF 1048-1995中第12節(jié)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 通道間串?dāng)_檢測接線圖

3.2 直流信號對直流通道的串?dāng)_能力

干擾信號源采用多功能校準(zhǔn)器輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程切換為直流電壓測量模式。測量結(jié)果如表1所示。

表1 直流信號對直流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 交流信號對直流通道的串?dāng)_能力

干擾信號源采用多功能校準(zhǔn)器輸出不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程分別切換為交流電壓測量模式和直流電壓測量模式。這里參考JJF 1048-1995中12.6節(jié)公式（29）的形式進(jìn)行評價(jià)。交流電壓信號“零位”幅值選取為0.1 V，按照式（1）計(jì)算通道間串?dāng)_抑制比SCRR。

式中：

測量結(jié)果如表2所示。

表2 交流信號對直流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 交流信號對交流通道的串?dāng)_能力

干擾信號源采用多功能校準(zhǔn)器輸出不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程分別切換為交流電壓測量模式。根據(jù)式（1）計(jì)算串?dāng)_抑制比SCRR，結(jié)果如表3所示。

表3 交流信號對交流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

理想情況下，干擾通道和采樣通道的信號互不干擾。然而，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的局限性以及導(dǎo)線分布的影響，通道間串?dāng)_不可避免。

通過對比，直流通道對直流信號的串?dāng)_抑制能力最強(qiáng)，因?yàn)樵谶@種情況下，串?dāng)_主要原因是模擬多路開關(guān)切換造成的電壓抖動，而電壓抖動本身能量較小，持續(xù)時間也較短，所以通道串?dāng)_能力最小。直流通道對交流信號的串?dāng)_抑制能力其次，雖然交流信號本身能夠通過寄生電容對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生影響，但由于直流通道本身對交流信號具有抑制能力，所以該情況下的通道串?dāng)_增大得并不明顯。最后，交流通道對交流信號的串?dāng)_抑制能力最差，這是因?yàn)椴蓸油ǖ辣旧聿杉木褪墙涣餍盘?，所以會接收大部分的干擾信號，從而嚴(yán)重降低串?dāng)_抑制能力，此時的串?dāng)_噪聲較大。

而在干擾源同為交流電壓信號的情況下，隨著頻率的增加，通道串?dāng)_抑制比降低，這說明高頻信號更容易對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生串?dāng)_。所以在高頻場合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該視情況對通道間串?dāng)_進(jìn)行評價(jià)和檢測。

5 結(jié)語

目前，大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶手冊都對通道串?dāng)_能力做出一定的說明，可見對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_能力的評價(jià)是十分重要的。

本文不僅對校準(zhǔn)規(guī)范中的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還對交流信號對直流通道的串?dāng)_能力，以及交流信號對交流通道的串?dāng)_能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出不同情況下的串?dāng)_抑制比，并進(jìn)行分析和總結(jié)。鑒于通道間串?dāng)_的影響，建議該校準(zhǔn)項(xiàng)目可以根據(jù)客戶需求在適當(dāng)?shù)那闆r下包含在校準(zhǔn)證書中。

［1］許興明，劉國偉. 多路數(shù)據(jù)采集器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，2012，32（5）：45-48.

［2］M.Fu， K Tsai， S Prashanth，.Crosstalk Calibration for High Precision Power Measurement［C］. Energy Conversion Congress and Exposition，2015： 6589-6593.

［3］中國航空工業(yè)總公司第304研究所. JJF 1048-1995 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范［S］. 北京：中國計(jì)量出版社，1995.

［4］Channel Crosstalk［EB/OL］. http：//kb.mccdaq.com/KnowledgebaseArti cle50019.aspx，2012-4-30.

［5］鄭永秋，史赟，李圣昆，等. 多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］. 電測與儀表，2011，48（9）：86-90.

Test and evaluation method of channel-tochannel crosstalk in data acquisition systems

Xiao Tianlei，Gong Wenbin
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The cause for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system is introduced.According to JJF 1048-1995 C.S. of Data Acquisition System crosstalk effects are tested，calculated and evaluated in cases of DC signal crosstalk in a DC voltage channel， AC signal crosstalk in a DC voltage channel and AC signal crosstalk in an AC voltage channel. Experimental results are analyzed and summarized. Research achievements show the importance of evaluation for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system.

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