在本文的第一部分《數據擷取和儀器:DAS和感測器》中,研究了數據擷取系統(DAS)中涉及的電子技術和感測器。在第二部分中,將瞭解擷取原始類比數位轉換器(ADC)資料後該如何處理。

採集和處理策略

圖1所示為通道資料處理架構圖。每個方塊代表一個具有輸入和輸出量的函數(或「曲線」)。待測量的通道輸入量X由感測器轉換成感測器電量S,例如電阻或電壓,感測器電路(比如電橋)對感測器做出回應並產生電壓V。可程式設計增益放大器按增益G放大V,輸入到A/D轉換器,得到V×G,然後ADC將此電壓轉換為數位計數W。

20190220TA31P1 圖1 通道資料處理架構圖。

PGA和ADC一起帶來偏移和增益(斜率)誤差。如果PGA和ADC是線性的,則可以利用下一個方塊U(W)(或LXFM)在軟體中進行誤差糾正,它使用通道校準參數將原始資料計數W轉換為U=V,使U表示與V相同的值。換句話說,U(W)反轉、「撤銷」或線性「補償」PGA和ADC組合造成的線性誤差,透過數學公式可將其設置為:

U(W) = W-1(V)

用數學函數表示F(G),F是G的函數,即F是輸出,取決於輸入G。U(W)是線性變換,不能補償非線性感測器或感測器電路,它只能反轉線性函數。在感測器和電路都是非線性的情況下,U(W)僅能校正線性誤差,U(W)設定為等於V。

對於非線性感測器或電路,第一個非線性補償方塊Z(U)可補償感測器電路的非線性,並設置為V-1(S)=S(V)。最後一個方塊用來補償感測器的非線性,它基於製造商的感測器曲線Y(Z),對應於實際感測器的X(S)=S-1(X)。

總的來說,每個軟體處理塊執行類比DAS塊的反轉,以便在給定W的情況下,透過撤銷每個DAS塊對X進行的操作來恢復X。

例如,考慮電橋電路中的單個RTD溫度感測器,X是溫度,單位為℃。RTD電阻隨溫度變化而改變,產生R(X)。橋電路電壓隨R(X)非線性變化,根據分壓器公式產生輸出電壓V(R):

20190220TA31P1-1

其中Rbr是分壓器上電阻,R是感測器(下)電阻,Vbr是橋電壓。DAS將電壓數位化並輸出數位程式碼W(V),然後U(W)以數位形式補償DAS,使U=V。接下來,將U應用於第一非線性功能模組R(U)。它使用分頻器公式將計數U轉換為RTD的電阻。(由於分頻器公式的動態範圍很大,經常使用浮點數學運算,因此返回的電阻值是浮點值。)

下一個非線性塊將電阻轉換為溫度,單位為℃,是函數T(R),這是製造商提供的感測器曲線。Y(Z)可以反轉感測器函數,從而使其線性化。這個例子目標是實現Y=X,透過公式:

U(W) =W(V) and Y(U) = X(V) = X(S(V))

電橋電壓補償

感測器電橋電路的靈敏度與電橋電壓成正比。電橋輸出電壓V(Vbr,R)取決於感測器輸出量(即電阻),S=R,以及橋電壓Vbr。它可以表示為:

V(Vbr, R) =Vbr - B(R)

圖2表示了該函數。

20190220TA31P2 圖2 感測器橋電路的靈敏度與電橋電壓成正比。

「x」乘法器模組是一個附加模組,它是透過將U(W)分成兩個模組來補償,如圖3所示。

20190220TA31P3 圖3 「x」乘法器模組透過將U(W)分成兩個模組來補償。

U(W)補償W(B),使得U=B(R)。此外,由電橋補償軟體執行的U(V)用校準值補償電橋中的電壓漂移。Vbr利用電橋電壓通道測量,最後的測量值及其校準值Vbr0用於形成補償的比例因數。

線性校準

兩點校準假設感測器和DAS增益是線性的。例如,如果應力感測器增益為1V/kN,它隨所施加的應力大小而變化,因此是非線性的。為得到線性變換的偏移和斜率U(W),即DAS的線性部分,μC程式設計透過所獲得的兩個資料點構造了一條線,如圖4所示。w軸是原始資料,即ADC的數位化計數,u軸依給定單位處理過的資料,利用已知輸入值u1和u2進行兩次測量,ADC原始資料計數輸出為w1和w2

然後得到兩個方程,可以求解斜率m和偏移量b:

20190220TA01P3-1

由此得到兩點校準的公式:

20190220TA01P3-2

其中參數m和b用於將原始資料值轉換為處理值,其單位是校準期間使用的單位。對於b,可以使用右側運算式,也可以將兩者平均。

對於一點校準,b=0(假設沒有偏移誤差),預設情況下第二個資料點是原點(0,0),只有斜率需要校準。

20190220NT61P4 圖4 μC程式設計透過所獲得的兩個資料點構造了一條線。

結語

DAS(或DAQ)已經成為電子產業的一個細分領域,它涉及類比和數位波形處理。DAS採集和處理的常見策略是「撤銷」處理功能或執行採集功能的反轉,這些功能必須利用類比電路實現,因為有些是非線性。

類比採集的每個階段都對應一個處理階段,以便系統在ADC處可以自動反轉。採集階段由處理階段鏡像,處理階段可以撤銷它們所做的事情,直到檢測到的數量本身就是整個過程的剩餘部分。

(參考原文: Data Acquisition and Instrumentation: Data Processing and Calibration,by Dennis Feucht)