基于数据采集系统的采集速率对测量准确度的影响

丁鼎 杜天鋆 符堃/上海市计量测试技术研究院

0 引言

当今是数字化的时代，工业生产和科学研究都与数字信号处理技术密不可分。作为数字信号处理技术的核心，数据采集系统的性能直接影响最终的测量结果。

数据采集系统的采集速率是指采集通道在单位时间内采集的数据量，这个基本指标在试验中十分重要。但是传统的理论和试验都证明了采集速率和测量准确度是一对互相矛盾的参数，通常采集速率的增加会导致准确度的降低，主要原因是采集速率的增加会降低抗干扰能力，同时附加随机噪声等误差。在低速数据采集系统中，上述特征并不明显，但在高速数据采集系统中就显得尤为突出[6-7]。

本文采用工频周期数（NPLC）代表采集速率，其中PLC与采样电源的频率有关，N代表倍数。我国的交流电是50 Hz，一个周期是0.02 s，即NPLC=1时采样周期为0.02 s，NPLC=10时采样周期为0.2 s。因此，NPLC越大，采样周期越长，即采集速率越小。

本文通过采用不同的NPLC测试多量程的直流电压、电阻和铂热电阻温度，研究了采集速率对数据采集系统测量准确度的影响。

1 试验方法

试验中采用的主要设备是Fluke 2638A HYDRA Series III数据采集单元，其技术参数如表1所示。信号源采用了Fluke 5520A多功能校准器。直流电压、电阻和铂热电阻温度分别从校准器输出到数据采集单元进行测量。

对于直流电压的测试，首先将输出的直流电压固定为1 mV，NPLC设置为0.02。然后连续采集记录500个样本数据并计算它们的标准偏差。下一步设置NPLC为0.2，再连续记录500个样本数据进行计算。以此类推，改变不同的NPLC并重复上述步骤，以研究1 mV下采集速率和测量准确度之间的关系。之后，分别将直流电压的输出值变更为10 mV和100 mV，并重复上述步骤。电阻和铂热电阻温度的测试方法基本同上，不同点是由于仪器设备的限制，NPLC缺少20和2两档。

表1 Fluke 2638A数据采集单元的技术参数

2 试验结果与分析

2.1 直流电压

直流电压分别在 1 mV、10 mV 和 100 mV 的测试点下进行测试，NPLC从0.02提高至200。

图1展示了当输出电压为1 mV时从数据采集单元采集的500个连续采样点。从图1中可以发现，随着NPLC的增加，其测试数据点的密集程度也在增加。当NPLC为0.02，即采集速率达到最高时，用空白方框表示，采集的直流电压在0.97 mV和1.03 mV之间变动；当NPLC为200，即采集速率保持最低时，用空白圆圈表示，采集的直流电压上下限分别为1.000 04 mV 和 0.999 96 mV，表明通过降低采集速率可以显著提高测量准确度。然而，采集速率的降低意味着更长的测试周期，这对于实际的检测过程是不实用的。因此，为了平衡采集速率和测量准确度，找到最合适的NPLC就成为更重要的目标。从图1中可以明显看出，当NPLC从0.2增加到1时，测量准确度有大幅提高，但继续降低采集速率时，数据点的密集程度并没有出现较大的变化，说明当输出电压为1 mV时，可以认为1是NPLC的最优值。

当输出电压分别为10 mV和100 mV时又测试了500个连续数据点，与1 mV相比呈现出类似的变化趋势。尤其是当输出电压提高后，NPLC的最优值仍然为1，反映出输出电压的大小对数据采集单元的最优采集速率影响较小。

图1 直流电压1 mV下的500个连续采样点

表2总结了不同输出电压和NPLC下500个数据点的标准偏差值。当数据采集单元以最高速率进行采集时，三组输出电压下的标准偏差基本相同，均为13～14 μV。当NPLC大于1时，所有工况下的标准偏差均低于0.4 μV，表明输出的直流电压值对相同采集速率下的测量准确度影响不大。

2.2 电阻

电阻分别在1 Ω、10 Ω和100 Ω的测试点下进行测试，NPLC从1提高至200。

表2 不同直流电压和NPLC下的标准差

图2 电阻1 Ω下的500个连续采样点

图2展示了当输出电阻为1 Ω时从数据采集单元采集的500个连续数据点，可以发现随着NPLC的增加，数据点的密集程度也在不断提高，但与直流电压工况相比，其提高幅度较小。另一个不同点是，在输出电阻工况下，1（空白方框）不再是NPLC的最优取值。从图中可以观察到，当NPLC从2 （圈内叉）提高至10（正三角内十字）后，测量准确度呈现较大幅度的提升，但进一步降低采集速率无法使准确度获得大幅提高。因此，10可以被认为是用于测试1 Ω电阻的最优NPLC。

当输出电阻分别为10 Ω和100 Ω时，500个连续数据值的变化趋势均与图2类似，最优NPLC仍为10。

为了更直观地证明上述结论，图3展示了不同输出电阻和NPLC下500个数据点的标准偏差值。值得注意的是，电阻值的变化会对测量准确度产生一定的影响。1 Ω和10 Ω工况之间的标准偏差基本类似。但当输出电阻增加到100 Ω时，测量准确度会出现急剧下降，其原因可能是电阻值的提高会引入更多的附加噪声误差。

图3 不同NPLC和电阻值下的标准差

2.3 铂电阻温度

为了进一步研究采集速率对测量准确度的影响，铂热电阻温度也成为了测试参数之一。试验采用四线制测温方法，测试步骤基本与电阻相同，温度点分别为0 ℃、20 ℃、50 ℃和 100 ℃，NPLC 也包括1、2、10、20、100和200，每个工况下连续采集500个数据点，并计算其标准差。

图4展示了不同铂热电阻温度和NPLC下的标准偏差值，发现四条曲线的变化趋势基本相同，证明在0～100 ℃的范围内，铂热电阻温度值的变化对测量准确度的影响较小，主要原因是虽然温度变化较大，但是实际铂热电阻值的变化较小。另外，当NPLC从1提高至100时，标准差的衰减幅度较大，而继续降低采集速率基本无法进一步提高测量准确度。因此100可以认为是用于测试铂热电阻温度的最优NPLC。

图4 不同NPLC和铂热电阻温度下的标准差

3 结语

本文通过实验研究了采集速率对数据采集系统测量准确度的影响。测试设备以Fluke 2638A和5520A作为代表，使用不同的采集速率测试不同的直流电压、电阻和铂热电阻温度，并计算500个连续数据值的标准偏差作为测量准确度的指标。

实验结果表明，随着采集速率的不断降低，测试数据的密集程度在不断增加，证明通过降低采集速率可以大幅提高测量准确度。为了在保证测量准确度的前提下，最大限度的节省测量时间，1、10和100可以分别作为测试直流电压、电阻和铂热电阻温度的最优NPLC值，也说明最优采集速率针对不同的测试参量也有较大的区别。实验进一步发现，输出的直流电压值和铂热电阻温度值对相同采集速率下的测量准确度影响不大，但是电阻值的大小会对测量准确度产生一定的影响，其可能的原因是电阻的提高会引入更多附加噪声误差。

为了进一步探讨采集速率和测量准确度之间的关系，今后将对直流电流、交流电压、热电偶温度等更多参数进行相关研究。