肖天雷 龔文彬 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法

肖天雷 龔文彬 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_的成因。根據(jù)JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》分別對(duì)直流信號(hào)對(duì)直流通道、交流信號(hào)對(duì)直流通道以及交流信號(hào)對(duì)交流通道的串?dāng)_能力進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算和評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)。研究結(jié)果表明了對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道間串?dāng)_評(píng)價(jià)的重要性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通道間串?dāng)_；評(píng)價(jià)方法

0 引言

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模塊）能夠通過(guò)不同的傳感器將相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)［1］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、電信號(hào)、壓力、位移等參數(shù)的測(cè)量和處理，是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。所以，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定期校準(zhǔn)是必不可少的。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢測(cè)項(xiàng)目一般包括電壓、電流等信號(hào)的示值誤差。隨著工業(yè)設(shè)備的不斷升級(jí)和改造，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道數(shù)量也在不斷增加，這將不可避免地引起通道間串?dāng)_。例如在功率測(cè)量過(guò)程中，電流和電壓通道之間產(chǎn)生的串?dāng)_會(huì)影響功率計(jì)算的準(zhǔn)確性［2］。所以，在一定的情況下，有必要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道間串?dāng)_能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

現(xiàn)行的JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》［3］對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道間串?dāng)_提供了校準(zhǔn)依據(jù)。它描述了利用直流電壓源作為干擾信號(hào)源，對(duì)相鄰?fù)ǖ赖淖x數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法，并以串?dāng)_抑制比SCRR作為評(píng)價(jià)結(jié)果。然而，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍并非局限于直流信號(hào)，例如，傳統(tǒng)功率測(cè)量就需要采集50 Hz/60 Hz的交流信號(hào)。所以，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_項(xiàng)目的校準(zhǔn)中，僅僅考慮直流信號(hào)對(duì)直流通道產(chǎn)生的串?dāng)_是不全面的。

本文首先介紹通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因和影響，再擴(kuò)展JJF 1048-1995中的要求，對(duì)不同信號(hào)產(chǎn)生的通道間串?dāng)_進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 通道間串?dāng)_產(chǎn)生的原因

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用多路模擬開(kāi)關(guān)按照一定的時(shí)序?qū)Ω鱾€(gè)通道進(jìn)行循環(huán)采集，再通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行量化。然而，由于集成化程度的不斷提高，與多路模擬開(kāi)關(guān)輸入端相連接的相鄰導(dǎo)線或引腳之間必然存在寄生電容。

電容具有通交流阻直流、通高頻阻低頻的特點(diǎn)，所以對(duì)于交流信號(hào)，必定會(huì)通過(guò)寄生電容對(duì)相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生干擾。而對(duì)于直流信號(hào)，在模擬開(kāi)關(guān)的循環(huán)切換過(guò)程中，切換動(dòng)作會(huì)引起一定時(shí)間內(nèi)的電壓抖動(dòng)。由于該抖動(dòng)為交流信號(hào)，所以也會(huì)通過(guò)寄生電容影響相鄰?fù)ǖ溃?］。

2 通道間串?dāng)_的影響

大型設(shè)備由于接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)量和類(lèi)型較多，更容易產(chǎn)生通道間串?dāng)_，如焓差試驗(yàn)臺(tái)中的直流電壓和電阻信號(hào)，風(fēng)洞試驗(yàn)中的交流電壓和直流電壓等。由于寄生電容的作用，干擾信號(hào)會(huì)與采樣信號(hào)發(fā)生疊加，從而產(chǎn)生不必要的噪聲，這在一定程度上影響采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性。這種情況在干擾源頻率較高時(shí)尤為明顯。

另外，對(duì)于直流信號(hào)而言，由多路模擬開(kāi)關(guān)的切換產(chǎn)生的電壓抖動(dòng)雖然會(huì)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，但在高采樣頻率條件下，如果受到串?dāng)_的信號(hào)沒(méi)有在A/ D轉(zhuǎn)換器采樣之前恢復(fù)，勢(shì)必會(huì)影響采樣而造成轉(zhuǎn)換誤差［5］，降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

3 通道間串?dāng)_的評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)試方法

參照J(rèn)JF 1048-1995，采用如圖1的接線方法，就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直流信號(hào)對(duì)直流通道、交流信號(hào)對(duì)直流通道和交流信號(hào)對(duì)交流通道的通道串?dāng)_能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將通道CHn與多功能校準(zhǔn)器相連接，將相鄰?fù)ǖ繡Hn+1與1 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻R0相連接。此外，干擾通道選取最大量程，相鄰的采樣通道選取最小量程，參照J(rèn)JF 1048-1995中第12節(jié)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 通道間串?dāng)_檢測(cè)接線圖

3.2 直流信號(hào)對(duì)直流通道的串?dāng)_能力

干擾信號(hào)源采用多功能校準(zhǔn)器輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程切換為直流電壓測(cè)量模式。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 直流信號(hào)對(duì)直流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 交流信號(hào)對(duì)直流通道的串?dāng)_能力

干擾信號(hào)源采用多功能校準(zhǔn)器輸出不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程分別切換為交流電壓測(cè)量模式和直流電壓測(cè)量模式。這里參考JJF 1048-1995中12.6節(jié)公式（29）的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)。交流電壓信號(hào)“零位”幅值選取為0.1 V，按照式（1）計(jì)算通道間串?dāng)_抑制比SCRR。

式中：

測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 交流信號(hào)對(duì)直流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 交流信號(hào)對(duì)交流通道的串?dāng)_能力

干擾信號(hào)源采用多功能校準(zhǔn)器輸出不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，干擾通道和采樣通道都按照各自量程分別切換為交流電壓測(cè)量模式。根據(jù)式（1）計(jì)算串?dāng)_抑制比SCRR，結(jié)果如表3所示。

表3 交流信號(hào)對(duì)交流通道串?dāng)_能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

理想情況下，干擾通道和采樣通道的信號(hào)互不干擾。然而，由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的局限性以及導(dǎo)線分布的影響，通道間串?dāng)_不可避免。

通過(guò)對(duì)比，直流通道對(duì)直流信號(hào)的串?dāng)_抑制能力最強(qiáng)，因?yàn)樵谶@種情況下，串?dāng)_主要原因是模擬多路開(kāi)關(guān)切換造成的電壓抖動(dòng)，而電壓抖動(dòng)本身能量較小，持續(xù)時(shí)間也較短，所以通道串?dāng)_能力最小。直流通道對(duì)交流信號(hào)的串?dāng)_抑制能力其次，雖然交流信號(hào)本身能夠通過(guò)寄生電容對(duì)相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生影響，但由于直流通道本身對(duì)交流信號(hào)具有抑制能力，所以該情況下的通道串?dāng)_增大得并不明顯。最后，交流通道對(duì)交流信號(hào)的串?dāng)_抑制能力最差，這是因?yàn)椴蓸油ǖ辣旧聿杉木褪墙涣餍盘?hào)，所以會(huì)接收大部分的干擾信號(hào)，從而嚴(yán)重降低串?dāng)_抑制能力，此時(shí)的串?dāng)_噪聲較大。

而在干擾源同為交流電壓信號(hào)的情況下，隨著頻率的增加，通道串?dāng)_抑制比降低，這說(shuō)明高頻信號(hào)更容易對(duì)相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生串?dāng)_。所以在高頻場(chǎng)合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該視情況對(duì)通道間串?dāng)_進(jìn)行評(píng)價(jià)和檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶手冊(cè)都對(duì)通道串?dāng)_能力做出一定的說(shuō)明，可見(jiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道串?dāng)_能力的評(píng)價(jià)是十分重要的。

本文不僅對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范中的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還對(duì)交流信號(hào)對(duì)直流通道的串?dāng)_能力，以及交流信號(hào)對(duì)交流通道的串?dāng)_能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出不同情況下的串?dāng)_抑制比，并進(jìn)行分析和總結(jié)。鑒于通道間串?dāng)_的影響，建議該校準(zhǔn)項(xiàng)目可以根據(jù)客戶需求在適當(dāng)?shù)那闆r下包含在校準(zhǔn)證書(shū)中。

［1］許興明，劉國(guó)偉. 多路數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32（5）：45-48.

［2］M.Fu， K Tsai， S Prashanth，.Crosstalk Calibration for High Precision Power Measurement［C］. Energy Conversion Congress and Exposition，2015： 6589-6593.

［3］中國(guó)航空工業(yè)總公司第304研究所. JJF 1048-1995 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范［S］. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1995.

［4］Channel Crosstalk［EB/OL］. http：//kb.mccdaq.com/KnowledgebaseArti cle50019.aspx，2012-4-30.

［5］鄭永秋，史赟，李圣昆，等. 多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］. 電測(cè)與儀表，2011，48（9）：86-90.

Test and evaluation method of channel-tochannel crosstalk in data acquisition systems

Xiao Tianlei，Gong Wenbin
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The cause for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system is introduced.According to JJF 1048-1995 C.S. of Data Acquisition System crosstalk effects are tested，calculated and evaluated in cases of DC signal crosstalk in a DC voltage channel， AC signal crosstalk in a DC voltage channel and AC signal crosstalk in an AC voltage channel. Experimental results are analyzed and summarized. Research achievements show the importance of evaluation for channel-to-channel crosstalk of data acquisition system.

data acquisition system； channel-to-channel crosstalk；evaluation method