在本文的第一部分《數(shù)據(jù)采集和儀器：DAS和傳感器》中，我們研究了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中涉及的電子技術(shù)和傳感器。在第二部分中，我們將了解獲取原始ADC數(shù)據(jù)后該如何處理。

采集和處理策略

圖1所示為通道數(shù)據(jù)處理塊圖。每個(gè)方塊代表一個(gè)具有輸入和輸出量的函數(shù)(或“曲線”)。待測(cè)量的通道輸入量X由傳感器轉(zhuǎn)換成傳感器電量S，比如電阻或電壓。傳感器電路(比如電橋)對(duì)傳感器做出響應(yīng)并產(chǎn)生電壓V。可編程增益放大器按增益G放大V，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，得到VxG。然后A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)數(shù)W。

圖1：通道數(shù)據(jù)處理塊圖。

PGA和ADC一起帶來(lái)偏移和增益(斜率)誤差。如果PGA和ADC是線性的，則可以通過(guò)下一個(gè)方塊U(W)(或LXFM)在軟件中進(jìn)行誤差糾正。它使用通道校準(zhǔn)參數(shù)將原始數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)W轉(zhuǎn)換為U=V，使U表示與V相同的值。換句話說(shuō)，U(W)反轉(zhuǎn)、“撤消”或線性“補(bǔ)償”PGA和ADC組合造成的線性誤差。通過(guò)數(shù)學(xué)公式可將其設(shè)置為：

用數(shù)學(xué)函數(shù)表示F(G)，F(xiàn)是G的函數(shù)，即F是輸出，取決于輸入G。U(W)是線性變換，不能補(bǔ)償非線性傳感器或傳感器電路，它只能反轉(zhuǎn)線性函數(shù)。在傳感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(shè)定為等于V。

對(duì)于非線性傳感器或電路，第一個(gè)非線性補(bǔ)償方塊Z(U)可補(bǔ)償傳感器電路的非線性，并設(shè)置為V–1(S)=S(V)。最后一個(gè)方塊用來(lái)補(bǔ)償傳感器的非線性，它基于制造商的傳感器曲線Y(Z)，對(duì)應(yīng)于實(shí)際傳感器的X(S)=S–1(X)。

總的來(lái)說(shuō)，每個(gè)軟件處理塊執(zhí)行模擬DAS塊的反轉(zhuǎn)，以便在給定W的情況下，通過(guò)撤消每個(gè)DAS塊對(duì)X進(jìn)行的操作來(lái)恢復(fù)X。

例如，考慮電橋電路中的單個(gè)RTD溫度傳感器。X是溫度，單位為oC。RTD電阻隨溫度變化而改變，產(chǎn)生R(X)。橋電路電壓隨R(X)非線性變化，根據(jù)分壓器公式產(chǎn)生輸出電壓V(R)：

其中Rbr是分壓器上電阻，R是傳感器(下)電阻，Vbr是橋電壓。DAS將該電壓數(shù)字化并輸出數(shù)字代碼W(V)。然后U(W)以數(shù)字形式補(bǔ)償DAS，使U=V。接下來(lái)，將U應(yīng)用于第一非線性功能模塊R(U)。它使用上面的分頻器公式將計(jì)數(shù)U轉(zhuǎn)換為RTD的電阻。(由于分頻器公式的動(dòng)態(tài)范圍很大，經(jīng)常使用浮點(diǎn)數(shù)學(xué)計(jì)算，因此返回的電阻值是浮點(diǎn)值。)下一個(gè)非線性塊將電阻轉(zhuǎn)換為溫度，單位為oC，是函數(shù)T(R)。這是制造商給出的傳感器曲線。Y(Z)可以反轉(zhuǎn)傳感器函數(shù)，從而使其線性化。這個(gè)例子的目標(biāo)是通過(guò)下面的等式實(shí)現(xiàn)Y=X：

橋電壓補(bǔ)償

傳感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)取決于傳感器輸出量(即電阻)，S=R，以及橋電壓Vbr。它可以表示為：

圖3示出了該函數(shù)。

圖2：傳感器橋電路的靈敏度與電橋電壓成正比。

“x”乘法器模塊是一個(gè)附加模塊，它是通過(guò)將U(W)分成兩個(gè)模塊來(lái)補(bǔ)償?shù)?，如圖3所示。

圖3：“x”乘法器模塊通過(guò)將U(W)分成兩個(gè)模塊來(lái)補(bǔ)償。

U(W)補(bǔ)償W(B)，使得U=B(R)。此外，由電橋補(bǔ)償軟件執(zhí)行的U(V)用校準(zhǔn)值補(bǔ)償電橋中的電壓漂移。Vbr通過(guò)橋電壓通道測(cè)量。最后的測(cè)量值及其校準(zhǔn)值Vbr0用于形成補(bǔ)償?shù)谋壤蜃印?/p>

線性校準(zhǔn)

兩點(diǎn)校準(zhǔn)假設(shè)傳感器和DAS增益是線性的。例如，如果應(yīng)力傳感器增益為1V/kN，它隨所施加的應(yīng)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編程通過(guò)所獲得的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造了一條線，如圖4所示。w軸是原始數(shù)據(jù)，即ADC的數(shù)字化計(jì)數(shù)。u軸是按給定單位處理過(guò)的數(shù)據(jù)。利用已知輸入值u1和u2進(jìn)行兩次測(cè)量。ADC原始數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)輸出為w1和w2。

圖4：μC編程通過(guò)所獲得的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造了一條線。

然后我們得到兩個(gè)方程，可以求解斜率m和偏移量b：

由此得到兩點(diǎn)校準(zhǔn)的公式：

其中參數(shù)m和b用于將原始數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為處理值，其單位是校準(zhǔn)期間使用的單位。對(duì)于b，可以使用右側(cè)表達(dá)式，也可以將兩者平均。

對(duì)于一點(diǎn)校準(zhǔn)，b=0(假設(shè)沒(méi)有偏移誤差)，默認(rèn)情況下第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是原點(diǎn)(0,0)，只有斜率需要校準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

DAS(或DAQ)已經(jīng)成為電子行業(yè)的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，它涉及模擬和數(shù)字波形處理。DAS采集和處理的常見(jiàn)策略是“撤消”處理功能或執(zhí)行采集功能的反轉(zhuǎn)，這些功能必須通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛行┦欠蔷€性的。模擬采集的每個(gè)階段都對(duì)應(yīng)一個(gè)處理階段，以便系統(tǒng)在ADC處可以自動(dòng)反轉(zhuǎn)，采集階段由處理階段鏡像，處理階段可以撤消它們所做的事情，直到檢測(cè)到的數(shù)量本身就是整個(gè)過(guò)程的剩余部分。