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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)字信號，這時則需要將模擬信號數(shù)字化。因而，獲取數(shù)據(jù)的精度成為了儀器設(shè)備的評價的重要指標，精度越高，可靠性越好[3]。多數(shù)儀器在設(shè)計時重點關(guān)注數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，在某些特定場合下，更是要求其采集得到的數(shù)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(nóng)業(yè)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需要同時監(jiān)控多種參數(shù)（如溫度、壓力等）的場合[4]。

目前，市面上的采集卡多數(shù)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(guān)注的焦點[5]。

AD采集卡的技術(shù)參數(shù)指標通常有通道數(shù)、采樣頻率、分辨率、精度、量程等[6]。由于通道數(shù)和量程是根據(jù)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(shù)的判定則需要進行準確的數(shù)據(jù)采樣后計算分析得到，盡管產(chǎn)品化的AD采集模塊提供部分數(shù)據(jù)指標，但大多數(shù)參數(shù)均在固有條件下平均測量得到，因此給出的數(shù)據(jù)并不能作為評價某一AD采集卡的實際數(shù)據(jù)。

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(shù)、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(jù)。

1 測試方法

首先將AD采集卡進行多組數(shù)據(jù)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(shù)

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

對AD采集卡采集進行有效位數(shù)（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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)；

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(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果（AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為10次測量結(jié)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(shù)據(jù)的可信賴程度，因此需要測量采集卡采集數(shù)據(jù)的不確定度，它是測量結(jié)果質(zhì)量的指標，測量不確定度評估是計量校準領(lǐng)域一項基礎(chǔ)性的工作，所有計量校準的結(jié)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(shù)平均值的標準偏差來計算所測數(shù)據(jù)的不確定度，計算公式為[11]：

式中：u—— —不確定度；

n——測量次數(shù)；

xi—— —每組測量值；

—— —所有測量數(shù)據(jù)算術(shù)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(zhuǎn)化的結(jié)果作為評價采集卡性能的依據(jù)。AD采集卡采集得到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為數(shù)字量。AD數(shù)據(jù)采集卡的出現(xiàn)是為了解決非數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)采集卡是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計算機拓展卡，可以通過 USB、RS232、485、WIFI、Zigbee和以太網(wǎng)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(xiàn)8路的32 bits AD數(shù)據(jù)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(shè)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)換為數(shù)字型號，那么AD采集必定涉及數(shù)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(shù)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(shù)字信號通路，這樣可以最大幅度降低數(shù)字信號的開關(guān)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(zhì)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?shù)姆€(wěn)定性，減少電磁輻射帶來的干擾[16]。

3 測試平臺及結(jié)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(diào)制器、濾波和SPI數(shù)字串行接口等組成。一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等[17]。

圖2 ADS1263的結(jié)構(gòu)圖

這里首先將AD采集卡分別進行多組數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)測試結(jié)果

根據(jù)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(shù)，將AIN0與AINCOM相連，采集20組AD采樣的輸出值，其結(jié)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(jù)公式（1）計算得到三個采集卡的有效位數(shù)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(jié)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(jié)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(shù)據(jù)利用示波器擬合函數(shù)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(jié)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(jié)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(jié)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(shè)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(shù)據(jù)的不確定度uA、uB和uC。采用2 V直流電壓進行測量，測量結(jié)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(jié)果

三個采集卡測量數(shù)據(jù)對比如表1所示。在測試結(jié)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(shù)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(shù)據(jù)對比

由表1中的結(jié)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(shù)、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(jié)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(shù)，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(jié)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。