高精度AD采集卡性能測試及評價方法研究

王 鮑， 張雄杰， 胡 斌， 夏侯命棟， 李 東

(1.東華理工大學 核技術應用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013; 2.東華理工大學，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著智能化的迅速普及，需要利用傳感器采集的數據也越來越多，而大部分傳感器的輸出信號都是模擬信號，例如溫度、液位等[1-2]，但是對于常用處理器，只能處理數字信號，這時則需要將模擬信號數字化。因而，獲取數據的精度成為了儀器設備的評價的重要指標，精度越高，可靠性越好[3]。多數儀器在設計時重點關注數據采集的質量，在某些特定場合下，更是要求其采集得到的數字信號具有極高的精度，同時為了方便使用，將AD（Analog-Digital）采集部分單獨模塊化，從而催生了高精度采集卡的誕生。

AD采集卡是一種基于AD采集芯片、連接傳感器與計算機之間的重要部件。到目前為止，其廣泛應用在工、農業(yè)等生產環(huán)節(jié)中需要同時監(jiān)控多種參數（如溫度、壓力等）的場合[4]。

目前，市面上的采集卡多數為8位、12位、16位和24位，而對于32位采集卡的應用較少，價格也高低不等，但是其整體性能評價方法卻鮮有報道，因此很少有對其性能的測試，對于市面上的高精度采集卡，如何評價其性能便成為了關注的焦點[5]。

AD采集卡的技術參數指標通常有通道數、采樣頻率、分辨率、精度、量程等[6]。由于通道數和量程是根據需求直接選擇的，不便于作為評價采集卡的標準，而分辨率和精度等參數的判定則需要進行準確的數據采樣后計算分析得到，盡管產品化的AD采集模塊提供部分數據指標，但大多數參數均在固有條件下平均測量得到，因此給出的數據并不能作為評價某一AD采集卡的實際數據。

本文主要對AD采集卡的分辨率和精度進行四個方面的評價，分別是采集卡的有效位數、已知信號的擬合度與標準方差、線性度和不確定度，并通過三款采集卡對評價方法進行驗證分析，為實際應用中的AD采集卡選型提供依據。

1 測試方法

首先將AD采集卡進行多組數據采集，分別選擇單極性零電壓輸入、單極性正弦信號輸入和單極性恒定電壓（非零）輸入。

1.1 有效位數

有效位數是指噪聲和失真存在時，AD采集實際可達到的位數，采集的精度是通過AD轉換器的有效位數來反映的，有效位數越高，要求系統的噪聲就越低[7]。

對AD采集卡采集進行有效位數（ENOB）判定，以連續(xù)的20次單極性零電壓輸入的ADC輸出值的最大誤差Δ計算，其中Δ為輸出值的最大值和最小值差值，通過 2n-1-1≤Δ≤2n-1求得n，再通過下式求出ENOB[8]：

1.2 正弦信號線性擬合的r2與標準方差

有效位數的測量中除了單極性零輸入測量，其他測量都要求需要高精度穩(wěn)壓電源，為了解決這一問題，這里采用測量單極性的正弦信號，通過Matlab擬合算法對采集得到的數據進行sin曲線擬合，求得對應曲線的擬合標準差，來判斷AD采集卡的精度，標準誤差（RMSE）公式為[9]：

式中：n——測量次數；

yi——真實值；

——預測值。

1.3 線性度

為了判斷AD采集在測量范圍內的線性情況，需要對整個量程進行取點測量偏差。以一定間隔的電壓分別加在測量通道上，將轉換結果（AD轉換結果為10次測量結果的均值）對電壓進行線性擬合，求取線性擬合度。

1.4 不確定度

為了測試數據的可信賴程度，因此需要測量采集卡采集數據的不確定度，它是測量結果質量的指標，測量不確定度評估是計量校準領域一項基礎性的工作，所有計量校準的結果都必須有相應的測量不確定度描述[10]。需要對一恒定的電壓值進行多次采集，由于每次測量都為等精度測量，故可用算數平均值的標準偏差來計算所測數據的不確定度，計算公式為[11]：

式中：u—— —不確定度；

n——測量次數；

xi—— —每組測量值；

—— —所有測量數據算術平均值。

由于不能確定恒定信號源精度，因而無法直接將采集轉化的結果作為評價采集卡性能的依據。AD采集卡采集得到的數據不確定度受到了兩方面的影響：1）被測信號的精度與穩(wěn)定性；2）AD采集卡自身的采集精度與穩(wěn)定性。由于兩個因素彼此獨立，故二者不確定度由公式（4）可推出合成不確定度u。u1為被測信號的精度與穩(wěn)定性引起的不確定度，u為采集卡采集得到的數據計算出的不確定度，由公式（4）即可求得因采集卡自身的采集精度與穩(wěn)定性引起的不確定度u2[12]。

2 影響因素分析

AD采集即將模擬量轉化為數字量。AD數據采集卡的出現是為了解決非數字量的采集問題，采集過程通常為傳感器獲取到自然界中的某一待采集連續(xù)變化量，生成非電量或者電量形式的模擬信號，通過AD采集芯片將其送到處理器或者上位機中進行處理和分析[13]。

市面上的大多數AD采集卡都由AD采集芯片、處理器、通信模塊等組成，流程如圖1所示。數據采集卡是實現數據采集功能的計算機拓展卡，可以通過 USB、RS232、485、WIFI、Zigbee和以太網等各種通信同計算機相連接[14]。以本文測試的某一32位AD采集卡為例，其AD采集芯片為ADS1263，處理器為STM32F407，與上位機之間通信模塊為RS485，可實現8路的32 bits AD數據采集。

圖1 一般AD采集卡流程

本研究選用的AD采集卡是基于高精度低速采集設計的。首先是在信號輸入部分的噪聲，許多采集的模擬信號中存在高頻噪聲，會對AD采集的結果造成影響，大部分AD采集卡的信號輸入部分會通過RC濾波器來消除高頻噪聲。由于測試不同的采集卡均來自同一信號，因此信號帶來的噪聲對所有設備影響相同，本文并未對此進行探討。

因為AD是將模擬信號轉換為數字型號，那么AD采集必定涉及數字和模擬兩大部分，但是兩部分的信號一般會相互影響，需要分別對其處理，一般的AD采集卡硬件部分都會將數字和模擬信號區(qū)域完全獨立，對兩個區(qū)域做獨立的布線和隔離，避免AD的模擬輸入引腳靠近數字信號通路，這樣可以最大幅度降低數字信號的開關噪聲對模擬信號的影響[6]。AD采集電壓時，AD芯片需要提供一個基準電壓，而基準電壓的穩(wěn)定與否，直接影響了AD采集的精度，同時供電電源質量也會直接影響AD的采集精度[15]。

為了進一步提高采集卡的采集精度，在PCB的繪制過程中會盡量縮減高頻器件的連線長度，從而降低電磁干擾，也對供電和接地采用加寬或者布置單獨的PCB層，可以增加信號傳輸的穩(wěn)定性，減少電磁輻射帶來的干擾[16]。

3 測試平臺及結果

3.1 測試平臺

對本文方法進行驗證的采集卡均使用ADS1263采集芯片，ADS1263是一顆 32 bits、38-kS/s、具有低噪聲可編程增益放大器（PGA）的模數轉換芯片，其內部結構如圖2所示，由輸入電壓多路選擇器、傳感器偏置、可編程增益放大器、32位Δ-∑調制器、濾波和SPI數字串行接口等組成。一個典型的數據采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/計時器等[17]。

圖2 ADS1263的結構圖

這里首先將AD采集卡分別進行多組數據采集，為了驗證評價方法，對于三款32 位的AD采集卡進行精度的評價，三款采集卡分別為采集卡A、采集卡B和采集卡C，三款采集卡價格差不超過100元，其外觀分別如圖3的 (a) 、 (b) 和 (c) 所示。采集卡C相對于采集卡A、B，可以看出在參考電壓部分采用了鋰電池供電，而采集卡B相對采集卡A布局更為合理，數字與模擬部分分隔較好。

圖3 三種高精度AD采集卡實物圖

3.2 采集卡有效位數測試結果

根據采樣需求選取不同速率進行測試，三款采集卡的采樣速率均為2.5 S/s，分別對三份采集卡測試。采用單極性零電壓輸入測試其有效位數，將AIN0與AINCOM相連，采集20組AD采樣的輸出值，其結果如圖4所示，采集卡A的最大AD采樣值為48 347，最小值為33 842；采集卡B的最大AD采樣值為40 365，最小值為32 586；采集卡C的最大AD采樣值為41 981，最小值為36 706，根據公式（1）計算得到三個采集卡的有效位數分別為ENOBA=18.1 bits，ENOBB=19.1 bits，ENOBC=19.4 bits。

圖4 單極性零電壓輸入A、B與C采集卡采集值

3.3 正弦信號線性擬合的r2與標準方差測試結果

單極性正弦信號輸入來測試三塊AD采集卡的擬合曲線r2和標準差，示波器采集得到正弦波圖像如圖5所示。采集40組AD采樣的輸出值，其結果分別如圖6、圖7和圖8所示，同時利用示波器采集同一信號，對示波器采集得到的信號進行正弦曲線擬合，示波器采集得到正弦信號進行擬合如圖9所示。

圖5 示波器采集正弦信號

圖6 采集卡A采集正弦信號擬合曲線

圖7 采集卡B采集正弦信號擬合曲線

圖8 采集卡C采集正弦信號擬合曲線

圖9 示波器采集正弦信號擬合曲線

三個采集卡采集得到數據利用示波器擬合函數進行曲線擬合，采集卡A的擬合曲線為1.994×sin (0.314 1x+0.144 4) ，r2為 0.957 8，RMSE 為 0.299；采集卡B的擬合曲線為1.994 sin (0.314 1x+0.179 3) ，r2為 0.985 9，RMSE為0.167 5；采集卡C的擬合曲線為 1.994 sin (0.314 1x+0.055 69) ，r2為 0.994 3，RMSE為0.113 3；示波器所得擬合曲線方程為1.994×sin (0.314 1x–0.043 06) ，r2為 0.997 3，RMSE 值為0.077 59。

3.4 線性度測試結果

利用多組單極性恒定電壓（非零）輸入來測試三塊AD采集卡的采集線性度。所得結果如圖10所示，可見采集卡C的線性度最好，r2為0.999 98。

圖10 恒定電壓輸入波形圖

3.5 不確定度測試結果

利用單極性恒定電壓（非零）輸入來測量采集卡的不確定度，由于缺乏高精度測量儀器，故信號本身不穩(wěn)定帶來的不確定度無法測量，這里假設其值為確定值u1=X，再分別利用采集卡測量同一信號，計算采集得到數據的不確定度uA、uB和uC。采用2 V直流電壓進行測量，測量結果如圖11所示。

圖11 恒定電壓輸入波形圖

其中采集卡A的不確定度uA為 9.428 327×10–3；采集卡B的不確定度uB為1.408 777×10–3；采集卡C的不確定度uC為 1.790 95×10–5。通過公式（4）求得

3.6 評價結果

三個采集卡測量數據對比如表1所示。在測試結果中，通過三個采集卡的比較可得到采集卡C的性能明顯優(yōu)于采集卡B，而采集卡B的性能優(yōu)于采集卡A，從而驗證了評價方法的可行性。從而驗證了采集卡C相較于采集卡B和A的差別在于采集卡C提供參考電壓的穩(wěn)壓模塊由鋰電池供電，大大降低了電源波動對采集卡精度的影響，提升了采集卡的性能，而采集卡B相對于采集卡A的優(yōu)點在于數字部分和模擬部分隔離較好，導致整體性能較采集卡A好。

表1 三個采集卡測量數據對比

由表1中的結論可以判斷出采集卡性能的相對優(yōu)劣程度，可以得出通過判斷有效位數、正弦信號線性擬合的r2與標準方差、線性度和不確定度來判斷采集卡的性能。

4 結束語

本文對如何評價采集卡性能進行研究，提出了測量AD采集卡精度的多種方法，并以多組ADS1263為采集芯片的高精度AD采集卡進行性能測試，對方法進行驗證。通過單極性零電壓輸入來判斷AD采集卡有效位數，通過單極性正弦信號輸入判斷波形采集后線性擬合的r2和標準差，以及單極性恒定電壓（非零）輸入來判斷采集卡的線性度和不確定度。通過多方面的評價，可以判斷出AD采集卡的性能優(yōu)越性，研究結果為AD采集卡的性能評價提供了測試方法，具有一定的應用價值。