制作质量测量- MATLAB & Simulink - MathWorks日本万博1manbetxgydF4y2Ba

进行质量测量gydF4y2Ba

你测量什么?gydF4y2Ba

对于大多数数据采集应用，您需要测量传感器以特定速率产生的信号。gydF4y2Ba

在许多情况下，传感器信号是与感兴趣的物理现象成正比的电压水平(例如，温度、压力或加速度)。如果你测量的是缓慢变化(准静态)的现象，比如温度，一个缓慢的采样率通常就足够了。如果您正在测量快速变化的(动态)现象，如振动或声学测量，则需要快速采样率。gydF4y2Ba

要进行高质量的测量，您应该遵循以下规则:gydF4y2Ba

最大限度地提高精度和准确性gydF4y2Ba
尽量减少噪音gydF4y2Ba
将传感器范围与A/D范围匹配gydF4y2Ba

准确性和精密度gydF4y2Ba

无论何时获得测量数据，都应尽一切努力最大限度地提高其准确性和精密度。测量的质量取决于整个数据采集系统的准确性和精度，并可能受到诸如板分辨率或环境噪声等因素的限制。gydF4y2Ba

一般来说，gydF4y2Ba精度gydF4y2Ba测量值的大小决定了测量值与真实值的接近程度。因此，它表明了结果的正确性。的gydF4y2Ba精度gydF4y2Ba测量反映的是结果是如何确定的，而不涉及结果的含义。的gydF4y2Ba相对精度gydF4y2Ba表示测量结果的不确定度。gydF4y2Ba

例如，假设你用米尺测量桌面，发现它的长度是1.502米。这个数字表明，米尺(和你的眼睛)可以分辨至少一毫米的距离。在大多数情况下，这被认为是一个相当精确的测量，相对精度约为1/1500。但是，假设您再次进行测量，得到的结果是1.510米。经过仔细考虑，你发现你最初读取米尺的技术是错误的，因为你没有从正上方读取。因此，第一次测量不准确。gydF4y2Ba

精度和准确度如下图所示。gydF4y2Ba

样品的分散表示精度和准确性gydF4y2Ba

对于模拟输入子系统，精度通常受到校准误差的限制，而精度通常受到A/D转换器的限制。精度和精度将在下面详细讨论。gydF4y2Ba

精度gydF4y2Ba

精度被定义为测量量与该量的真实值之间的一致性。在模拟信号路径中出现的每个组件都会影响系统的精度和性能。整体系统精度由精度最差的组件给出。gydF4y2Ba

对于数据采集硬件，精度通常表示为最低有效位(LSB)的百分比或部分。在理想情况下，板精度通常为±0.5 LSB。因此，一个12位转换器只有11位可用位。gydF4y2Ba

许多电路板包括一个可编程增益放大器，它位于转换器输入之前。为了防止系统精度下降，增益的精度和线性度必须优于A/D转换器。电路板的指定精度也受采样率和功率的影响gydF4y2Ba沉淀时间gydF4y2Ba放大器的。沉降时间定义为仪表放大器沉降到指定精度所需的时间。为了保持完全的精度，放大器输出必须在下一次转换前稳定到0.5 LSB的量级，对于大多数电路板来说，这是在十分之一毫秒的数量级上。gydF4y2Ba

沉降时间是采样率和增益值的函数。高速率、高增益配置需要更长的沉降时间，而低速率、低增益配置需要更短的沉降时间。gydF4y2Ba

精度gydF4y2Ba

用来表示模拟信号的比特数决定了设备的精度(分辨率)。您的电路板提供的比特数越多，您的测量就越精确。高精度、高分辨率的器件将输入范围分成更多的部分，从而允许更小的可检测电压值。低精度、低分辨率的器件将输入范围分成更少的部分，从而增加了可检测电压值。gydF4y2Ba

数据采集系统的总体精度通常由A/D转换器决定，并由用于表示模拟信号的比特数指定。大多数单板使用12位或16位。您的测量精度由:gydF4y2Ba

$pgydF4y2Ba rgydF4y2Ba egydF4y2Ba cgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ogydF4y2Ba ngydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba {1 / 2gydF4y2Ba}^{ngydF4y2Ba ugydF4y2Ba 米gydF4y2Ba bgydF4y2Ba egydF4y2Ba rgydF4y2Ba ogydF4y2Ba fgydF4y2Ba bgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba tgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba}$

以伏特为单位的精度为:gydF4y2Ba

$pgydF4y2Ba rgydF4y2Ba egydF4y2Ba cgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ogydF4y2Ba ngydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba \frac{vgydF4y2Ba ogydF4y2Ba lgydF4y2Ba tgydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba ggydF4y2Ba egydF4y2Ba rgydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba ngydF4y2Ba ggydF4y2Ba egydF4y2Ba}{{2gydF4y2Ba}^{ngydF4y2Ba ugydF4y2Ba 米gydF4y2Ba bgydF4y2Ba egydF4y2Ba rgydF4y2Ba ogydF4y2Ba fgydF4y2Ba bgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba tgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba}}$

例如，如果您正在使用配置为10伏范围的12位a /D转换器，那么gydF4y2Ba

$pgydF4y2Ba rgydF4y2Ba egydF4y2Ba cgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ogydF4y2Ba ngydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba \frac{10gydF4y2Ba vgydF4y2Ba ogydF4y2Ba lgydF4y2Ba tgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba}{{2gydF4y2Ba}^{12gydF4y2Ba}}$

这意味着转换器可以检测0.00244伏(2.44 mV)水平的电压差。gydF4y2Ba

距离、增益和测量精度是如何相关的?gydF4y2Ba

当您配置模拟输入子系统的输入范围和增益时，最终结果应该最大化测量分辨率并最小化超量程条件的机会。实际输入范围由公式给出:gydF4y2Ba

$一个gydF4y2Ba cgydF4y2Ba tgydF4y2Ba ugydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba lgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ngydF4y2Ba pgydF4y2Ba ugydF4y2Ba tgydF4y2Ba rgydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba ngydF4y2Ba ggydF4y2Ba egydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba \frac{我gydF4y2Ba ngydF4y2Ba pgydF4y2Ba ugydF4y2Ba tgydF4y2Ba rgydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba ngydF4y2Ba ggydF4y2Ba egydF4y2Ba}{ggydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ngydF4y2Ba}$

对于输入范围为10v的单极和双极信号，增益、实际输入范围和精度之间的关系如下所示。gydF4y2Ba

输入范围、增益和精度之间的关系gydF4y2Ba

输入范围gydF4y2Ba	获得gydF4y2Ba	实际输入范围gydF4y2Ba	精度(12位A/D)gydF4y2Ba
0 ~ 10vgydF4y2Ba	1．0gydF4y2Ba	0 ~ 10vgydF4y2Ba	2.44 mVgydF4y2Ba
	2．0gydF4y2Ba	0 ~ 5vgydF4y2Ba	1.22 mVgydF4y2Ba
	5．0gydF4y2Ba	0 ~ 2vgydF4y2Ba	0.488 mVgydF4y2Ba
	10．0gydF4y2Ba	0 ~ 1vgydF4y2Ba	0.244 mVgydF4y2Ba
-5到5vgydF4y2Ba	0．5gydF4y2Ba	- 10v ~ 10vgydF4y2Ba	4.88 mVgydF4y2Ba
	1．0gydF4y2Ba	-5到5vgydF4y2Ba	2.44 mVgydF4y2Ba
	2．0gydF4y2Ba	-2.5 ~ 2.5 VgydF4y2Ba	1.22 mVgydF4y2Ba
	5．0gydF4y2Ba	-1.0 ~ 1.0 VgydF4y2Ba	0.488 mVgydF4y2Ba
	10．0gydF4y2Ba	-0.5 ~ 0.5 VgydF4y2Ba	0.244 mVgydF4y2Ba

如表所示，增益会影响测量的精度。如果选择减小实际输入范围的增益，则精度会增加。相反，如果你选择的增益增加了实际输入范围，那么精度就会降低。这是因为实际输入范围不同，但A/D转换器使用的比特数保持固定。gydF4y2Ba

请注意gydF4y2Ba

使用Data Acquisition Toolbox™软件，您不必指定范围和增益。相反，您只需指定所需的实际输入范围。gydF4y2Ba

噪音gydF4y2Ba

噪声被认为是不属于感兴趣现象的任何测量。噪声可以在输入放大器的电气元件内部产生(内部噪声)，也可以在信号沿着输入线传到放大器时添加到信号中(外部噪声)。下面介绍了可以用来减少噪声影响的技术。gydF4y2Ba

去除内部噪音gydF4y2Ba

内部噪声产生于放大器的热效应。放大器通常会产生几微伏的内部噪声，这将信号的分辨率限制在这个水平。加到信号中的噪声量取决于输入放大器的带宽。gydF4y2Ba

为了减少内部噪声，你应该选择一个带宽与输入信号带宽紧密匹配的放大器。gydF4y2Ba

去除外部噪音gydF4y2Ba

外部噪声有很多来源。例如，许多数据采集实验都受到交流电源电路产生的60 Hz噪声的影响。这种类型的噪声被称为gydF4y2Ba拾音器gydF4y2Ba或gydF4y2Ba嗡嗡声gydF4y2Ba，在测量电路中以正弦干扰信号的形式出现。另一种常见的干扰源是荧光灯。这些灯产生的电弧频率是电源线频率(120 Hz)的两倍。gydF4y2Ba

来自这些外部源的噪声被添加到采集电路中，因为信号引线充当拾取环境电活动的天线。这些噪音大部分是两种信号线共有的。要去除大部分共模电压，您应该gydF4y2Ba

配置差动模式输入通道。指gydF4y2Ba通道配置gydF4y2Ba有关通道配置的详细信息。gydF4y2Ba
使用绞在一起的信号线，而不是分开的。gydF4y2Ba
信号线尽量短。gydF4y2Ba
使信号线尽量远离环境电活动。gydF4y2Ba

过滤gydF4y2Ba

滤波还可以降低信号噪声。对于许多数据采集应用，低通滤波器是有益的。顾名思义，低通滤波器通过低频分量，但衰减高频分量。滤波器的截止频率必须与感兴趣信号中的频率和用于A/D转换的采样率兼容。gydF4y2Ba

如果截止发生在奈奎斯特频率，那么用于防止更高频率向数字化信号引入失真的低通滤波器被称为抗混叠滤波器。也就是说，滤波器去除大于采样频率一半的频率。这些滤波器通常比用于调节信号的普通低通滤波器具有更尖锐的截止。抗混叠滤波器是根据系统的采样率指定的，每个输入信号必须有一个滤波器。gydF4y2Ba

匹配传感器范围和A/D转换器范围gydF4y2Ba

当传感器数据通过A/D转换器进行数字化时，您必须注意以下两个问题:gydF4y2Ba

传感器产生的数据的预期范围。这个范围取决于你测量的物理现象和传感器的输出范围。gydF4y2Ba
A/D转换器的范围。对于许多设备，硬件范围是由增益和极性指定的。gydF4y2Ba

您应该选择传感器和硬件范围，以获得最大精度，并覆盖输入信号的完整动态范围。gydF4y2Ba

例如，假设您使用的麦克风动态范围为20 dB至140 dB，输出灵敏度为50 mV/Pa。如果您在应用程序中测量街道噪音，那么您可能期望声级永远不会超过80 dB，这对应的声压大小为200 mPa，麦克风输出的电压为10 mV。在这些情况下，您应该将数据采集卡的输入范围设置为最大信号幅度为10 mV或稍大一些。gydF4y2Ba

信号采样的速度应该有多快?gydF4y2Ba

每当对一个连续信号进行采样时，就会丢失一些信息。关键目标是以一种速率采样，使感兴趣的信号被很好地表征，并且信息量的损失最小化。gydF4y2Ba

如果采样速度太慢，就会发生信号混叠。混叠可以发生在快速变化的信号和缓慢变化的信号。例如，假设您每分钟测量一次温度。如果您的采集系统从交流电源接收到60hz的嗡嗡声，那么如果采样频率为30hz，则该嗡嗡声将显示为恒定的噪声水平。gydF4y2Ba

当采样信号包含的频率成分大于采样率的一半时，就会发生混叠。频率分量可能来自感兴趣的信号，在这种情况下，你是欠采样，应该增加采样率。频率成分也可能来自噪声，在这种情况下，您可能需要使用滤波器来调节信号。用于防止混叠的规则由gydF4y2Ba尼奎斯特定理gydF4y2Ba，其中指出gydF4y2Ba

模拟信号可以从相等时间间隔内采集的样本中惟一地重建而不产生误差。gydF4y2Ba
采样率必须等于或大于模拟信号中最高频率分量的两倍。采样率的一半的频率称为奈奎斯特频率。gydF4y2Ba

然而，如果你的输入信号被噪声损坏，那么混叠仍然会发生。gydF4y2Ba

例如，假设您将A/D转换器配置为以每秒4个采样的速率采样(4 S/ S或4 Hz)，并且感兴趣的信号是1 Hz正弦波。因为信号频率是采样率的四分之一，那么根据奈奎斯特定理，它应该是完全表征的。然而，如果还存在5赫兹正弦波，那么这两个信号就无法区分了。换句话说，当采样速率为4 S/ S时，1hz正弦波产生的样本与5hz正弦波相同。下面的图表说明了这种情况。gydF4y2Ba

不同频率的采样信号gydF4y2Ba

在真实的数据采集环境中，您可能需要通过过滤掉高频成分来调整信号。gydF4y2Ba

尽管样本似乎代表频率为采样率四分之一的正弦波，但实际信号可能是任何频率为的正弦波:gydF4y2Ba

$（gydF4y2Ba ngydF4y2Ba \pmgydF4y2Ba ０．２５gydF4y2Ba ）gydF4y2Ba \timesgydF4y2Ba （gydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba 米gydF4y2Ba pgydF4y2Ba lgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba ngydF4y2Ba ggydF4y2Ba rgydF4y2Ba 一个gydF4y2Ba tgydF4y2Ba egydF4y2Ba ）gydF4y2Ba$

在哪里gydF4y2BangydF4y2Ba为零或任何正整数。对于这个例子，实际信号的频率可能是3hz、5hz、7hz、9hz，等等。关系0.25 × (gydF4y2Ba采样率gydF4y2Ba)称为gydF4y2Ba别名gydF4y2Ba可能是另一个频率的信号。换句话说，当一个频率与另一个频率相同时，就会发生混叠。gydF4y2Ba

如果输入信号的采样速度至少是最高频率分量的两倍，那么这个信号可能是唯一的，但这个速率不能很好地模拟波形。如下图所示，要获得波形的准确图像，您需要大约为最高频率的10到20倍的采样率。gydF4y2Ba

以不同速率采样的波形gydF4y2Ba

如上图所示，低采样率产生的采样信号似乎是一个三角形波形。如下图所示，采样率越高，采样信号的保真度越高。在后一种情况下，采样信号实际上看起来像一个正弦波。gydF4y2Ba

如何消除混叠?gydF4y2Ba

抗混叠涉及的主要考虑因素是A/D转换器的采样率和采样数据中的频率。要消除混叠，必须gydF4y2Ba

建立测量的有用带宽。gydF4y2Ba
选择带宽足够的传感器。gydF4y2Ba
选择一个低通抗混叠模拟滤波器，可以消除所有超过此带宽的频率。gydF4y2Ba
以至少两倍于滤波器上截止频率的速率对数据进行采样。gydF4y2Ba