數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的校準(zhǔn)方法

肖天雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院；上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的校準(zhǔn)方法

肖天雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院；上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室

介紹通道間串?dāng)_的成因和JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》中關(guān)于直流信號對直流通道的串?dāng)_能力的校準(zhǔn)方法，并提議在一定工況條件下還應(yīng)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)行校準(zhǔn)，最后通過實驗對上述三種串?dāng)_進(jìn)行計算和不確定度評定，并對結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，突出該校準(zhǔn)項目的重要意義。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通道間串?dāng)_；校準(zhǔn)方法；不確定度

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]，從而實現(xiàn)對溫度、電信號、壓力、位移等參數(shù)的測量和處理。所以，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模塊）進(jìn)行定期校準(zhǔn)是必不可少的。

常規(guī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)項目通常包括電壓、電流、電阻等信號的示值誤差。隨著工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)線的不斷升級和大型化、復(fù)雜化，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，所使用的采集通道數(shù)量也不斷增加，這就不可避免地會引起通道間串?dāng)_?，F(xiàn)行的JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[2]在一定程度上對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道間串?dāng)_提供了校準(zhǔn)依據(jù)。它給出了利用直流電壓源作為干擾信號，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作為評價指標(biāo)。然而，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號不只是直流電壓信號，所以僅通過直流干擾信號的校準(zhǔn)就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_性能進(jìn)行評價是片面的。

本文首先介紹了通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因和現(xiàn)行的校準(zhǔn)方法，再對現(xiàn)行校準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行一定程度的擴(kuò)展，對不同信號產(chǎn)生的通道間串?dāng)_進(jìn)行測量和不確定度評定，并對結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因和現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)普遍采用多路模擬開關(guān)，按一定的時序?qū)Ω魍ǖ肋M(jìn)行循環(huán)采集，再通過十分復(fù)雜的方式進(jìn)行量化。該設(shè)計方法可以有效降低硬件的空間、功耗及設(shè)計成本, 同時滿足多參數(shù)的設(shè)計任務(wù)要求[3]。然而，由于集成化程度的不斷提高，導(dǎo)線或引腳之間的距離不斷縮小，必然會產(chǎn)生寄生電容。所以在多路開關(guān)的輸入端，交流信號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，模擬開關(guān)的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繹4]。較嚴(yán)重的通道串?dāng)_可能會引起不必要的噪聲和采樣誤差。

雖然通道間串?dāng)_是不可避免的，但對于要求不高的使用場合，該校準(zhǔn)項目僅僅作為可選項?，F(xiàn)行的JJF 1048-1995在第12節(jié)中給出了直流信號對直流通道的串?dāng)_能力校準(zhǔn)方法的建議。

2 現(xiàn)有校準(zhǔn)內(nèi)容的不足及擴(kuò)展

通道間串?dāng)_可以由直流信號產(chǎn)生，也可以由交流信號產(chǎn)生。根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道配置的不同，產(chǎn)生的影響也各不相同。

在功率測量中，電流和電壓通道之間產(chǎn)生的串?dāng)_會影響功率計算的準(zhǔn)確性[5]；空調(diào)用焓差試驗臺的數(shù)據(jù)采集器中直流電壓產(chǎn)生的串?dāng)_可能會引起相鄰?fù)ǖ罍囟葴y量的準(zhǔn)確性。機(jī)動車風(fēng)洞試驗中交流電壓可能會影響變送器直流輸出電壓的測量；而對于開關(guān)電源、電機(jī)控制中的軟啟動器等設(shè)備，數(shù)據(jù)采集器測量的信號頻率會更高[6]，更容易對其他通道對應(yīng)參數(shù)的測量產(chǎn)生影響。所以，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_項目的校準(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。

在某些輸入信號類型較多，且對采集精度要求較高的場合，建議對特定通道的串?dāng)_能力進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)使用要求，不僅可以校準(zhǔn)直流信號對直流通道的串?dāng)_能力，還可以校準(zhǔn)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。

3 通道間串?dāng)_的校準(zhǔn)方法和結(jié)果分析

3.1 校準(zhǔn)方法

根據(jù)JJF 1048-1995中的要求，采用如圖1的接線方法，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直流信號對直流通道的串?dāng)_進(jìn)行校準(zhǔn)。其中，R0為1 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，CHn+1宜選擇使用中對串?dāng)_較為敏感的通道。

對于交流信號對直流通道，以及交流信號對交流通道通道串?dāng)_能力的校準(zhǔn)，仍采用圖1的接線方法和校準(zhǔn)規(guī)范中對于各自通道量程的要求。信號源采用多功能校準(zhǔn)器。需要注意的是，在進(jìn)行零位串?dāng)_的測量時，干擾信號的幅值應(yīng)接近于零，低于采樣通道的量程。采樣通道的平均值由10次讀數(shù)計算得出。

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

實驗中干擾通道和采樣通道都按照各自量程設(shè)置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)_能力的實驗結(jié)果

3.3 交流信號對直流通道的串?dāng)_能力

實驗中干擾通道和采樣通道都按照各自量程設(shè)置為交流電壓測試模式和直流電壓測量模式。參考JJF 1048-1995中12.6節(jié)公式29，交流電壓信號“零位”幅值選取0.1 V，按照式（1）計算通道間串?dāng)_抑制比。

測量結(jié)果如表2所示。

表2 交流信號對直流通道串?dāng)_能力的實驗結(jié)果

3.4 交流信號對交流通道的串?dāng)_能力

實驗中干擾通道和采樣通道都按照各自量程設(shè)置為交流電壓測試模式。根據(jù)式（1）計算串?dāng)_抑制比，結(jié)果如表3所示。

表3 交流信號對交流通道串?dāng)_能力的實驗結(jié)果

4 不確定度評定

4.1 測量模型

本次校準(zhǔn)的測量模型為

4.2 不確定度分量

根據(jù)測量模型，各不確定度分量和相關(guān)靈敏系數(shù)如表4所示。

表4 測量不確定度來源匯總表

4.3 不確定度計算

三種情況的測量不確定度計算結(jié)果如表5～表7所示。

表5 直流信號對直流通道的串?dāng)_抑制比測量不確定度評定表

表6 交流信號對直流通道的串?dāng)_抑制比測量不確定度評定表

表7 交流信號對交流通道的串?dāng)_抑制比測量不確定度評定表

5 結(jié)果分析

理想情況下，干擾通道和采樣通道的信號是互相隔離互不干擾的。然而，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身設(shè)計的局限性，以及導(dǎo)線分布的影響，通道間串?dāng)_是不可避免的。

實驗結(jié)果表明：

1）直流通道對直流電壓信號的串?dāng)_抑制能力最強(qiáng)。原因是此時串?dāng)_主要是由模擬多路開關(guān)切換產(chǎn)生的電壓抖動造成的，而電壓抖動本身能量較小，持續(xù)時間較短，所以通道串?dāng)_能力最小；

2）直流通道對交流電壓信號的串?dāng)_抑制能力次之。鑒于直流通道本身對交流信號具有抑制能力，交流信號通過寄生電容對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生的影響并沒有讓通道串?dāng)_明顯增強(qiáng)；

3）交流通道對交流電壓信號的串?dāng)_抑制能力最差。這是因為采樣通道被設(shè)置為采集交流電壓信號，所以更容易接收干擾信號通過寄生電容產(chǎn)生的串?dāng)_，從而大大降低串?dāng)_抑制能力；

4）在干擾源同為交流電壓信號的情況下，通道串?dāng)_抑制比隨著信號頻率的增大而減小。這說明高頻信號更容易對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生串?dāng)_。所以在使用高頻信號的場合，更應(yīng)該重視對通道間串?dāng)_的校準(zhǔn)。

此外，布線、環(huán)境溫濕度等條件可能會影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀數(shù)的穩(wěn)定性，在高精度場合會造成較大的不確定度。

6 結(jié)語

對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_能力評價的重要性，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備都在其用戶手冊[7]中對此做出相應(yīng)的說明。本文通過實驗對校準(zhǔn)規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗證和擴(kuò)展，分別對直流信號對直流通道的串?dāng)_能力、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)行了校準(zhǔn)，分別計算串?dāng)_抑制比、并完成測量不確定度的評定和實驗結(jié)果分析。

鑒于在特殊使用場合通道間串?dāng)_可能產(chǎn)生的影響，可以根據(jù)客戶需求，在適當(dāng)?shù)那闆r下在校準(zhǔn)證書中包含對該參數(shù)的校準(zhǔn)。

[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)計與實現(xiàn)[J]. 宇航計測技術(shù)，2012，32（5）：45-48.

[2]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：中國計量出版社，1995.

[3]杜紅棉，祖靜. 關(guān)聯(lián)標(biāo)定方法在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_中的應(yīng)用[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：89-91.

[4]Channel Crosstalk[EB/OL]，http：//kb.mccdaq.com/KnowledgebaseArt icle50019.aspx，2012-4-30.

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

[6]C.Davis，E.Kroon，Calibration： meeting the challenges of highfrequency power measurement[EB/OL]，http：//tmi.yokogawa.com/files/content/Whitepaper_Calibration_Final.pdf.

[7]2635A Series II Users Manual，1997，F(xiàn)luke Corporation.

[8]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)計與實踐[J]. 電測與儀表，2011，48（9）：86-90.

Calibration method for channel-to-channel crosstalk in data acquisition system

Xiao Tianlei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology；Shanghai Key Lab of On-line Testing and Control Technology）

The cause of crosstalk and the traditional calibration method for DC-DC crosstalk are introduced according to JJF 1048-1995Calibration Specification of Data Acquisition System. The calibration of AC-DC crosstalk and AC-AC crosstalk are proposed. Test is carried out the measurement uncertainty is evaluated. The result shows the importance of this calibration item.

data acquisition system; channel-to-channel crosstalk;calibration method; measurement uncertainty