优化自动化测试系统的测量精度

2012-07-14 15:36:31来源: 21ic

  引言

  在测试测量应用中,工程师们经常会听到的一个术语就是测量精度。对于自动化测试系统而言,测量精度不仅是评估其性能的一个至关重要的参数,也是科学家们不断努力希望提高的一个指标。虽然它的重要性得到一致的认可,然而,很多人对它的真正定义却不甚清楚,通常会将测量的精度(Accuracy)和模数转换器的分辨率(Resolution)混为一谈。那什么才是精度的真正定义呢?有哪些因素会影响到系统的测量精度呢?对于客户而言,又该如何通过仪器的技术参数文档来解读正确的精度参数呢?

  大家知道,所有的测量都是对"真实"值的大致估计,也就是说测量的数值总是和"真实"值有一定的误差,那么这样一个误差的大小就是通常所说的测量精度,它反映了测量仪器系统所能真实还原测量信号值的能力。测量误差的来源是多方面的,对于测量设备而言,除了ADC本身的各种误差因素外,前端的信号调理和整个板卡的布局都会影响到总的测量精度;此外,测量精度还受到众多外部因素的影响,如环境的噪声,工作温度等。因此,在评测一个仪器系统的测量精度时,除了ADC的位数,还应该考虑设备的绝对精度值(多种误差因素的综合值),以及系统工作在真

实环境中遇到的温度、噪声及其他外部因素的影响。

  下面将会从仪器的技术参数入手,进一步分析影响测量精度的几个重要因素,最后以能够改善测量精度的校准服务结尾,帮助读者正确地去评估和最大程度地去优化这一重要的指标。

  正确解读仪器的技术参数

  正确解读仪器的技术参数是理解测量精度概念的最基本要素,由于不同仪器厂商在定义测量精度时所使用的术语不同,或者使用相似的术语表示不同的含义。因而,清楚地理解定义仪器特性时所涉及的所有参数是非常重要的。

  先拿最常见的数据采集卡而言,许多客户会认为市面上12位分辨率的数据采集卡的精度都一样。这样的说法就完全混淆了分辨率和精度的概念,分辨率通常是指最大的信号经采样后可以被分成的最小部分,例如带12位模数转换器(ADC)的数据采集卡,它的最佳分辨率就是1/(2^12) = 1/4096,也就是说当输入电压范围为+/-10V(即Vpp=20V)时,它能分辨到的最小电压就是20V/4096=4.88mV。理论上,分辨率越高,分割信号的点就越密,从而还原出来的信号也就越真实、越平滑。而绝对精度的概念是指测量值和"真实"值之间的最大偏差的绝对值,在待测信号进入模数转换器之前,它还必须经过数据采集板卡上的多路选择器(MUX),可编程增益放大器(Amplifier)等其他的器件。在这个过程中都可能引入随机噪声,随着时间、温度变化参考源所发生的漂移,以及增益前后引入的非线性误差等,综合之对测量结果产生的影响就是我们所说的绝对精度。

  对于客户而言,除了ADC的位数,更重要的是要了解自己所购买的数据采集板卡的绝对精度指标,因为有时一块16位数据采集卡的精度可能还不如一块设计较好的12位数据采集卡的精度。如图1所示的技术参数表中就详细列出了像增益误差、偏移误差、不确定噪声等各种误差值以及综合之后的绝对精度值,提供给客户以完整的信息,确保最终测量的准确性。
NI 628x数据采集板卡的绝对精度表

  图1:NI 628x数据采集板卡的绝对精度表

  数字万用表(DMM)的参数指标又是不同的表示方法,业界通常使用位数来描述数字万用表的分辨率,因此客户也经常认为一个6½位数字万用表必定可以精确到6½位。然而情况却并非如此,这里的位数仅仅关系到仪器所显示的数字的位数,并不是输入信号的可分辨的最小变化。因此需要查验仪器的灵敏度和有效分辨率是否足够的高,以保证该仪器能够提供所需的测量分辨率。例如,一个6½位DMM能够表示1,999,999个计数的给定范围。但如果仪器测量的噪声的峰峰值为20个计数,这个时候可分辨的最小变化为0.52 x 20个计数(分辨率 = 高斯噪声的电压或计数×0.52)。因而,在实际存在噪声的情况下,该6½ 位DMM的真正有效位数(ENOD)为:
有效位数

  数字万用表的精度通常以±(ppm of reading + ppm of range)来表示。例如,如果将DMM设置到10V的范围用以测量一个7V的信号,并工作在23ºC ±5 ºC校准后的90天内,根据该DMM的参数表(见图2)所示,在这种情况下DMM的精度就是±(20 ppm of reading + 6 ppm of range)=±(20 ppm of 7 V + 6 ppm of 10 V) = 200 µV。

NI DMM 4070直流电压的精度表

  图2:NI DMM 4070直流电压的精度表

  除了通常所了解的DMM的位数,用户更应该理解有效位数的概念和懂得如何去计算DMM的测量精度,这些指标对于保证DMM的测量效果是至关重要的。

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关键字:自动化测试  测量精度  技术参数

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0714/article_5447.html
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