基于數據采集系統的采集速率對測量準確度的影響

丁鼎 杜天鋆 符堃/上海市計量測試技術研究院

0 引言

當今是數字化的時代，工業生產和科學研究都與數字信號處理技術密不可分。作為數字信號處理技術的核心，數據采集系統的性能直接影響最終的測量結果。

數據采集系統的采集速率是指采集通道在單位時間內采集的數據量，這個基本指標在試驗中十分重要。但是傳統的理論和試驗都證明了采集速率和測量準確度是一對互相矛盾的參數，通常采集速率的增加會導致準確度的降低，主要原因是采集速率的增加會降低抗干擾能力，同時附加隨機噪聲等誤差。在低速數據采集系統中，上述特征并不明顯，但在高速數據采集系統中就顯得尤為突出[6-7]。

本文采用工頻周期數（NPLC）代表采集速率，其中PLC與采樣電源的頻率有關，N代表倍數。我國的交流電是50 Hz，一個周期是0.02 s，即NPLC=1時采樣周期為0.02 s，NPLC=10時采樣周期為0.2 s。因此，NPLC越大，采樣周期越長，即采集速率越小。

本文通過采用不同的NPLC測試多量程的直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度，研究了采集速率對數據采集系統測量準確度的影響。

1 試驗方法

試驗中采用的主要設備是Fluke 2638A HYDRA Series III數據采集單元，其技術參數如表1所示。信號源采用了Fluke 5520A多功能校準器。直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度分別從校準器輸出到數據采集單元進行測量。

對于直流電壓的測試，首先將輸出的直流電壓固定為1 mV，NPLC設置為0.02。然后連續采集記錄500個樣本數據并計算它們的標準偏差。下一步設置NPLC為0.2，再連續記錄500個樣本數據進行計算。以此類推，改變不同的NPLC并重復上述步驟，以研究1 mV下采集速率和測量準確度之間的關系。之后，分別將直流電壓的輸出值變更為10 mV和100 mV，并重復上述步驟。電阻和鉑熱電阻溫度的測試方法基本同上，不同點是由于儀器設備的限制，NPLC缺少20和2兩檔。

表1 Fluke 2638A數據采集單元的技術參數

2 試驗結果與分析

2.1 直流電壓

直流電壓分別在 1 mV、10 mV 和 100 mV 的測試點下進行測試，NPLC從0.02提高至200。

圖1展示了當輸出電壓為1 mV時從數據采集單元采集的500個連續采樣點。從圖1中可以發現，隨著NPLC的增加，其測試數據點的密集程度也在增加。當NPLC為0.02，即采集速率達到最高時，用空白方框表示，采集的直流電壓在0.97 mV和1.03 mV之間變動；當NPLC為200，即采集速率保持最低時，用空白圓圈表示，采集的直流電壓上下限分別為1.000 04 mV 和 0.999 96 mV，表明通過降低采集速率可以顯著提高測量準確度。然而，采集速率的降低意味著更長的測試周期，這對于實際的檢測過程是不實用的。因此，為了平衡采集速率和測量準確度，找到最合適的NPLC就成為更重要的目標。從圖1中可以明顯看出，當NPLC從0.2增加到1時，測量準確度有大幅提高，但繼續降低采集速率時，數據點的密集程度并沒有出現較大的變化，說明當輸出電壓為1 mV時，可以認為1是NPLC的最優值。

當輸出電壓分別為10 mV和100 mV時又測試了500個連續數據點，與1 mV相比呈現出類似的變化趨勢。尤其是當輸出電壓提高后，NPLC的最優值仍然為1，反映出輸出電壓的大小對數據采集單元的最優采集速率影響較小。

圖1 直流電壓1 mV下的500個連續采樣點

表2總結了不同輸出電壓和NPLC下500個數據點的標準偏差值。當數據采集單元以最高速率進行采集時，三組輸出電壓下的標準偏差基本相同，均為13～14 μV。當NPLC大于1時，所有工況下的標準偏差均低于0.4 μV，表明輸出的直流電壓值對相同采集速率下的測量準確度影響不大。

2.2 電阻

電阻分別在1 Ω、10 Ω和100 Ω的測試點下進行測試，NPLC從1提高至200。

表2 不同直流電壓和NPLC下的標準差

圖2 電阻1 Ω下的500個連續采樣點

圖2展示了當輸出電阻為1 Ω時從數據采集單元采集的500個連續數據點，可以發現隨著NPLC的增加，數據點的密集程度也在不斷提高，但與直流電壓工況相比，其提高幅度較小。另一個不同點是，在輸出電阻工況下，1（空白方框）不再是NPLC的最優取值。從圖中可以觀察到，當NPLC從2 （圈內叉）提高至10（正三角內十字）后，測量準確度呈現較大幅度的提升，但進一步降低采集速率無法使準確度獲得大幅提高。因此，10可以被認為是用于測試1 Ω電阻的最優NPLC。

當輸出電阻分別為10 Ω和100 Ω時，500個連續數據值的變化趨勢均與圖2類似，最優NPLC仍為10。

為了更直觀地證明上述結論，圖3展示了不同輸出電阻和NPLC下500個數據點的標準偏差值。值得注意的是，電阻值的變化會對測量準確度產生一定的影響。1 Ω和10 Ω工況之間的標準偏差基本類似。但當輸出電阻增加到100 Ω時，測量準確度會出現急劇下降，其原因可能是電阻值的提高會引入更多的附加噪聲誤差。

圖3 不同NPLC和電阻值下的標準差

2.3 鉑電阻溫度

為了進一步研究采集速率對測量準確度的影響，鉑熱電阻溫度也成為了測試參數之一。試驗采用四線制測溫方法，測試步驟基本與電阻相同，溫度點分別為0 ℃、20 ℃、50 ℃和 100 ℃，NPLC 也包括1、2、10、20、100和200，每個工況下連續采集500個數據點，并計算其標準差。

圖4展示了不同鉑熱電阻溫度和NPLC下的標準偏差值，發現四條曲線的變化趨勢基本相同，證明在0～100 ℃的范圍內，鉑熱電阻溫度值的變化對測量準確度的影響較小，主要原因是雖然溫度變化較大，但是實際鉑熱電阻值的變化較小。另外，當NPLC從1提高至100時，標準差的衰減幅度較大，而繼續降低采集速率基本無法進一步提高測量準確度。因此100可以認為是用于測試鉑熱電阻溫度的最優NPLC。

圖4 不同NPLC和鉑熱電阻溫度下的標準差

3 結語

本文通過實驗研究了采集速率對數據采集系統測量準確度的影響。測試設備以Fluke 2638A和5520A作為代表，使用不同的采集速率測試不同的直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度，并計算500個連續數據值的標準偏差作為測量準確度的指標。

實驗結果表明，隨著采集速率的不斷降低，測試數據的密集程度在不斷增加，證明通過降低采集速率可以大幅提高測量準確度。為了在保證測量準確度的前提下，最大限度的節省測量時間，1、10和100可以分別作為測試直流電壓、電阻和鉑熱電阻溫度的最優NPLC值，也說明最優采集速率針對不同的測試參量也有較大的區別。實驗進一步發現，輸出的直流電壓值和鉑熱電阻溫度值對相同采集速率下的測量準確度影響不大，但是電阻值的大小會對測量準確度產生一定的影響，其可能的原因是電阻的提高會引入更多附加噪聲誤差。

為了進一步探討采集速率和測量準確度之間的關系，今后將對直流電流、交流電壓、熱電偶溫度等更多參數進行相關研究。