您的数据是否因仪表放大器的稳定时间而不准确？
内容
引言
您可能不知道采集的模拟数据可能无法准确反映实际测量的信号。 例如，使用具有12位分辨率模数转换器(ADC)的多功能I/O设备等插入式数据采集(DAQ)设备，并以100 kS/s的采样率扫描16个通道的输入时，采集到的数据可能不具备12位精度。DAQ板卡获取的数据看似无错误，因为没有数据丢失；但获取的数据可能不在指定的ADC精度范围内。这是仪表放大器稳定时间的结果，这是使用任何插入式DAQ板卡时需要考虑的重要因素。
有两种方法可减少放大器稳定时间引起的不准确性：
- 选择带有仪表放大器的DAQ板卡，以确保在所有采样率和增益下能够稳定。
- 降低采样率。
什么是稳定时间？
稳定时间是指被放大的信号达到一定精度并保持在指定精度范围内所需的时间。要了解稳定时间对DAQ系统的影响，请参考图1中的程序框图。该程序框图显示了DAQ板卡上采集模拟数据至计算机所必需的主要组件：
- 多路复用器(mux)
- 仪表放大器
- 采样ADC
- 先进先出(FIFO)缓冲区
图1.插入式DAQ板卡的主要组件
被测真实信号首先通过多路复用器从特定通道引入。然后，信号进入仪表放大器。仪表放大器将指定的增益应用于输入信号，从而将信号提升到更高的电平并确保正确的模数转换。放大器还将应用于DAQ板卡的所有差分输入信号转换为单端输出，以便ADC能够正确数字化数据。然后ADC对信号进行采样并保持，直到信号被数字化并放入板卡上的FIFO缓冲区。在FIFO中，数字化信号已准备就绪，可通过PC总线从板卡传输至计算机内存进行进一步处理。
使用插入式DAQ板卡时，将信号放大至更高电平并保持ADC精度所需的时间（即仪表放大器的稳定时间）是一个主要考虑因素。在进行模数转换之前，仪表放大器必须稳定，否则数据将不准确。如果放大器未稳定，数字化的电压将高于或低于尝试采集的实际电压信号。
稳定时间是仪表放大器中多种因素的结果。以标准电阻-电容(RC)低通滤波器电路设计为例。向RC电路施加电压阶跃时，信号需要一定的时间来上升并稳定在所需电压的百分比内，如图2所示。V的百分比是精度范围，信号到达指定范围所需的时间是稳定时间。
图2.标准RC电路的稳定时间
图3显示了标准仪表放大器的稳定时间特性。注意，信号上升超出范围、振荡并稳定在可接受的精度范围内。信号到达精度范围所需的时间为稳定时间。
图3.仪表放大器的稳定时间
为了更好地理解这一概念，将放大器稳定时间与弹簧质量系统的稳定时间进行比较。图4a显示了一个弹簧，弹簧上悬挂有一个质量块。图4b显示了拉伸后的弹簧，当质量块被释放时，弹簧开始弹跳，如图4c所示。如图4d所示，当弹跳距离减小到静止位置的指定或可接受的范围内时，系统被视为已稳定。从弹簧释放到弹簧弹跳减小到所需运动范围的时间为稳定时间。
图4.弹簧质量系统的稳定
注意弹簧质量系统的稳定与放大器稳定时间之间的相似之处。当放大器应用增益且信号变为所需值时，经过一段时间，直到信号达到并停留在可接受的精度范围内。该时间周期类似于弹簧质量系统将其弹跳减小到可接受范围内所需的时间。
如何运行自己的稳定时间测试
下列章节详细介绍了确定DAQ板卡稳定时间的两种方法，一种是直流信号，另一种是交流信号。
直流信号稳定时间测试
图5显示了直流信号测试，其中两个直流信号连接至DAQ板卡。如需运行测试，可分别将±信号连接至通道1和2。应用高增益时，输入信号应接近但不超过DAQ板卡全量程输入范围。例如，增益为100的±0.048 V输入可产生4.8 V的信号，比板卡的全量程值小0.2 V。运行该测试时，请勿输入大于或等于全量程值的信号，因为这会使放大器饱和并导致更长的稳定时间。然后，为每个通道完成至少100个点的单通道定时数据采集，并对结果进行平均以获得正负参考电压。在图5中，参考电压由标记为VREF和-VREF的线表示。
逐个采集参考值后，以两个通道的最大采样率采集100个点，在两个通道间交替采样；这也称为扫描通道。图5显示了这些点位于参考电压线附近。
再次对数据进行平均，使用该平均值计算最大采样率下的稳定时间误差。在图5中，正极数据的平均值为0.04 V，负极数据的平均值为–0.048 V。
如需计算误差，可计算参考电压与扫描数据的正负平均值之间的最大偏差，即从正负参考电压中减去平均扫描数据并取绝对值的最大值。该偏差是最大采样率下电压的稳定时间误差。在图5的范例中，正偏差和负偏差分别为0.01 V和–0.002 V，最大稳定时间误差为0.01 V。
图5.直流信号稳定时间测试
以不同的采样率和增益重复该过程，直到板卡稳定到指定的精度。如要绘制误差（单位为最低有效位(LSB)）与时间的关系，可将最大偏差的绝对值除以等于所用增益下1 LSB的电压。例如，在图5中，
增益为100。因此，图5中0.01 V的误差等于409.8 LSB。反转采样率以计算包含该特定误差的稳定时间。例如，采样率为100 kS/s时，稳定时间为10µs。绘制完成后，将曲线与指定的板卡精度进行比较，查看板卡稳定到指定精度所需的时间。
交流信号稳定时间测试
图6显示了交流信号测试。在图6中，全量程低频交流信号连接至通道1，通道2接地。如图6上方曲线所示，在两个通道间以最大采样率交替采样（扫描），并对通道2的数据执行快速傅立叶变换(FFT)，如下方曲线所示，可查看放大器是否正确稳定。
如通道1输入信号频率的FFT曲线出现较大的峰值，如图6所示，放大器未完全稳定。尖峰的幅度是电压误差，对应的稳定时间是采样率的倒数。请注意，使用频率过高的输入信号可能会导致串扰，这在通道2频谱中表现为与稳定时间误差相同的现象。
图6.交流信号稳定时间测试
使用不同的采样率和增益重复此过程，观察放大器的稳定速度和误差量。最小化FFT曲线中峰值的幅度后，放大器已正确稳定。该过程可用于确定DAQ板卡精确采集数据的采样率和增益。
影响稳定时间的因素
增益、多路复用、源输出阻抗、传输线电阻和电容均会影响稳定时间。增益和稳定时间通常有直接关系——在放大过程中，由于带宽降低和信号分辨率提高，仪表放大器需要更长时间才能在更高增益下稳定。
扫描多个通道时，多路复用会增加稳定时间。 在不同直流值的多个通道间快速切换将导致仪表放大器的高频输入。 多路复用时仪表放大器输入的范例如图7所示。
图7.多路复用42路直流信号时仪表放大器的输入
电压加至输入后，仪表放大器需要一定的稳定时间。 如通道切换和采样速率高于放大器的稳定时间，将导致读数不准确。 如相邻通道间的电压差较大，该问题将更为突出。
多路复用具有高源阻抗的输入通道会延长放大器的稳定时间。 高阻抗源加上开关过程中多路复用器固有的电容充放电，会导致扫描多个通道时进一步降低精度。当从多路复用器释放的电流接地时，电流通过高阻抗源；电流和高阻抗源共同作用产生电压。该电压被加至原始信号，导致数据不准确。
使用高阻抗源时，传输线效应也会影响稳定时间。与电缆电容相关的充电会增加系统的稳定时间。电缆电容的作用类似于电缆中包含小型低通滤波器，需要一定的充放电时间，从而降低了信号的吞吐率。
相同ADC，不同稳定时间特性
如比较使用相同分辨率ADC但仪表放大器不同的两块DAQ板卡的性能，可观察到稳定时间不同导致的极大差异。图8和图9显示了两块NI多功能插入式DAQ板卡的直流信号稳定时间测试结果，一块板卡带有现成仪表放大器，另一块板卡包含NI-PGIA™。为创建图8和图9中的图形，将±0.048 V信号以100增益输入每块板卡的通道1和2，并调整采样率以演示稳定时间的影响。
图8.使用现成仪表放大器的板卡的直流稳定时间测试
图9.使用NI-PGIA的板卡DC稳定时间测试
用于生成图8的低成本板卡包含一个现成仪表放大器，其误差范围如图所示。板卡在16至17 µs之间稳定到0.5 LSB，即指定的精度。用于生成图9的高精度高性能板卡包含NI-PGIA仪表放大器，该放大器由NI专为插入式DAQ板卡设计，以解决稳定时间问题。注意，NI-PGIA的稳定速度比低成本板卡的放大器快得多。
图10比较了NI-PGIA与标准现成仪表放大器的稳定时间。NI-PGIA稳定在12位精度的速度比标准仪表放大器快约5倍，直流信号测试也显示了这一点。
图10.NI-PGIA与现成仪表放大器的稳定时间对比
关于NI-PGIA
NI-PGIA不同于标准现成仪表放大器，因为NI-PGIA专门设计用于在2 µs内稳定到12位精度。NI-PGIA的高精度和低稳定时间主要归功于输入运算放大器，无论编程增益如何，运算放大器都在闭环增益接近1时运行。这与大多数运算放大器不同，后者的闭环增益会随着编程增益的增加而增加。
NI-PGIA的设计允许带宽和线性度随着增益的增加而保持相对恒定。因此，即使在最高增益100时，稳定时间仍保持在2 µs范围内。非线性度约为百万分之1.5 (ppm)，NI-PGIA的增益误差为±0.02%。增益误差的变化主要是由于NI-PGIA增益设置电阻的比率匹配。电阻的主要功能是设置要应用于输入信号的NI-PGIA增益。
虽然大多数仪表放大器的直流共模抑制比(CMRR)通常随增益降低而降低，但NI-PGIA的直流共模抑制比几乎与增益无关。与大多数标准仪表放大器一样，由于内部杂散电容，NI-PGIA的交流共模抑制比(CMRR)在低增益下会有衰减。NI-PGIA采用跨导设计，可将差分输入信号精确转换为单端信号，无需在仪表放大器中使用匹配良好的电阻，从而实现高精度。
减少稳定时间影响
减少稳定时间的最有效方法是使用带有仪表放大器的DAQ板卡，以确保在所有增益和速率下都能稳定到所需的精度。由于仪表放大器是发生稳定时间延迟最多的位置，请选择具有更高性能仪表放大器的板卡以获取最准确的数据。
如DAQ板卡没有特殊的仪表放大器，可使用一些其他技术减少稳定时间对数据采集的影响。但是，没有任何一种方法比使用带有仪表放大器的板卡更有效，可确保在所有速率和增益下都能达到所需的精度。
处理稳定时间影响的一种方法是根据连续或间隔通道扫描对输入信号进行特殊排列，如图11所示。信号排列可能并非适用于所有应用，但应首先考虑此方法。
如要以相同的时间间隔尽快连续扫描通道，应考虑排列信号，使每个通道之间的电压变化恒定。但是，当需要再次采样通道序列时，必须对第一个通道采样两次，以便放大器有稳定的时间。通过重复第一个通道采样，放大器具有补偿电压最大摆幅所需的时间。
间隔扫描是指尽可能快地扫描所有通道，在再次开始对第一个通道进行采样之前会有延迟。此类扫描允许在最后一个采样的通道和重复第一个通道采样之间发生通道上的最大电压变化，因此放大器有稳定下来的时间，无需额外的要求。
图11.间隔和连续通道扫描的信号排列
选择合适的线缆材料也有助于减少稳定时间的影响。线缆是另一个考虑因素，因为线缆中存在电容。避免选择电容较大的线缆，因为充电和放电需要一定的延迟时间。要减少线缆中的电容，请尽量缩短线缆长度，选择使用天然低电容介电材料（如聚丙烯）制成的线缆。
最后一种降低稳定时间影响的方法是降低采样率并选择输出阻抗较低的源。降低采样率可使仪表放大器有时间稳定到所需的精度。但是，如将采样率降低至最大输入频率的两倍以下，将导致欠采样波形和数据不准确。
如无法使用低输出阻抗的设备，可使用低输出阻抗的信号调理模块或放大器作为板卡输入的缓冲区。该缓冲区通常称为单位增益缓冲区或电压跟随器，多路复用器可从高阻抗源接收低阻抗信号，从而减少稳定时间的影响。
当放大器的稳定速度无法满足您的频率要求时，需考虑选择其他能够在所需采样率下稳定的DAQ板卡。
结语
根据稳定时间选择合适的DAQ板卡包括几个关键问题。首先，确定您的应用所需的最大采样率和增益；必须选择能够在您的规范范围内稳定的DAQ板卡。如已有DAQ板卡，运行DC或AC稳定时间测试以确定板卡的稳定时间。
了解DAQ板卡的限制条件后，请考虑信号的输出阻抗并尽可能排列信号，以最小化通道间电压的波动。最后，选择尽可能短且具有低电阻和电容的线缆。使用这些准则，您可以解决所有稳定时间问题，并确信采集到的数据是准确的。