您的資料是否因儀器放大器趨穩時間而不準確?
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簡介
您可能並不知道,此類比資料可能無法準確反映所量測的實際訊號。 舉例來說,當您使用外掛程式的 Data Acquisition (DAQ) 裝置,例如配備 12 位元解析度類比至數位轉換器 (ADC) 的多功能 I/O 介面卡,並以 100 kS/s 的取樣率掃描 16 個輸入通道時,可能無法取得 12 位元的精確資料。由於沒有資料遺失,因此 DAQ 介面卡檢索的資料會顯示為無錯誤資料;不過,檢索到的資料可能不符合指定的 ADC 準確度。這是儀器放大器趨穩時間的結果，使用任何外掛程式 DAQ 機板時，這是相當重要的考量。
有 2 種方式可降低放大器趨穩時間所造成的不準確狀況:
- 選擇具有儀器放大器且保證能以所有取樣率與增益趨穩的 DAQ 機板。
- 降低取樣率。
什麼是趨穩時間?
趨穩時間是指訊號需要放大,才能達到特定準確度並保持在指定的準確度範圍內的所需時間。若要了解趨穩時間對 DAQ 系統的影響,請考慮圖 1 的程式方塊圖。此程式方塊圖顯示了 DAQ 機板所需的主要元件,以便在電腦中取得類比資料:
- 多工器 (mux)
- 儀器放大器
- 取樣 ADC
- 先進先出 (FIFO) 緩衝
圖 1.插入式 DAQ 機板的主要元件
受測的實際訊號會先透過多工器從特定通道進行路由。訊號接著就會進入儀器放大器。儀器放大器會對輸入訊號施加指定的增益，進而將訊號提升到更高的準位，並確保 A/D 轉換正常。放大器也會將套用至 DAQ 機板的任何差動輸入訊號轉換為單端點輸出,以便 ADC 正確地將資料數位化。接著,ADC 會接著取樣並維持訊號,直到將訊號數位化,並將訊號放入機板上的 FIFO 緩衝區。在 FIFO 中,數位化訊號已準備好透過 PC 匯流排將從機板傳輸至電腦記憶體,以利進一步處理。
使用外掛程式 DAQ 機板時，主要需要考慮花多少時間放大訊號，同時維持 ADC 的準確度（也就是儀器放大器的趨穩時間）。儀器放大器必須在進行 A/D 轉換之前趨穩,否則資料將不準確。若放大器未趨穩,則數位化電壓將高於或低於您所試取的實際電壓訊號。
儀器放大器的許多因素都會影響趨穩時間。以標準電阻電容（RC）低通濾波器電路設計為例。當將電壓增幅套用至 RC 電路時,訊號需要一段時間,才能在所需電壓的百分比內上升與趨穩,如圖 2 所示。這個 V 百分比代表準確度範圍,而訊號進入指定範圍所需的時間則是趨穩時間。
圖 2.標準 RC 電路的趨穩時間
圖 3 顯示標準儀器放大器的趨穩時間特性。請注意,訊號會高於範圍,並在可接受的準確度範圍內振盪並穩定。同樣地,訊號進入準確度範圍所需的時間就是趨穩時間。
圖 3.儀器放大器的趨穩時間
為了進一步了解此概念,請比較放大器趨穩時間與彈簧質量系統趨穩時間。圖 4a 所示為彈簧,其中的體積在靜置時掛起。圖 4b 所示為彈簧延伸,因此,如圖 4c 所示,當質量放開時,就會開始反彈。如圖 4d 所示,反彈距離縮短至指定或可接受範圍內,系統會被視為趨穩。從彈簧放開到彈簧降至所需的運動範圍之間的時間,即為趨穩時間。
圖 4.彈簧質量系統的趨穩
請注意彈簧質量系統趨穩與放大器趨穩時間之間的相似性。當施加放大器增益並將訊號變更為所需值時,會經過一段時間,直到訊號達到並保持在可接受的準確度範圍內。這個期間與彈簧質量系統將反彈降至可接受範圍內的所需時間相似。
如何執行自己的趨穩時間測試
下列段落詳細說明 2 種判斷 DAQ 機板趨穩時間的方法:其中 1 種使用 DC 訊號,另 1 種則使用 AC 訊號。
DC 訊號趨穩時間測試
圖 5 顯示 2 組 DC 訊號連接至 DAQ 機板的 DC 訊號測試。若要執行測試,請將 ± 訊號分別連接至通道 1 與通道 2。在套用高增益時,輸入訊號應接近但不高於 DAQ 機板的全幅輸入範圍。舉例來說,如果輸入的 ±0.048 V 增益為 100,就會產生 4.8 V 訊號,比機板的全幅值小 0.2 V。執行這項測試時,請務必不要輸入大於或等於完整量表值的訊號,因為這樣可能會讓放大器飽和,進而延長趨穩時間。接著,請針對每個通道完成至少 1 個 100 點單通道時序資料採集作業,並平均結果,以取得正負參考電壓。在圖 5 中,這些參考電壓以標示為 VREF 與 -VREF 的線路表示。
個別取得參考值後,以 2 個通道的最高取樣率取得 100 個點,並在通道之間切換取樣;這也稱為通道掃描。圖 5 顯示這些點,是位於參考電壓線路附近的點。
再次平均資料;您將使用此平均值計算最高取樣率的趨穩時間誤差。在圖 5 中,正資料的平均值為 0.04 V;負資料的平均值為 –0.048 V。
若要計算誤差,請計算參考電壓與掃描資料正負平均之間的最大誤差;換句話說,從正負參考電壓扣除平均掃描資料,並使用絕對值的最大值。此誤差是最大取樣率下的電壓趨穩時間誤差值。在圖 5 的範例中,正負差分別為 0.01 V 與 –0.002 V,最大趨穩時間誤差為 0.01 V。
圖 5.DC 訊號趨穩時間測試
以不同的取樣率與增益重複這個流程,直到機板趨穩至指定的準確度為止。若要繪製最低準位位元 (LSB) 與時間間的誤差,請將最大誤差的絕對值除以等於 1 LSB 的電壓,以取得所應用的增益。例如,圖 5 所示,
增益為 100。因此,圖 5 中的 0.01 V 誤差等於 409.8 LSB。反轉取樣率,計算特定誤差量下的趨穩時間。舉例來說,以 100 kS/s 的取樣率進行取樣時,趨穩時間為 10μs。繪圖完成後,比較繪圖與指定的機板準確度,以了解機板趨穩至指定的準確度所需的時間。
AC 訊號趨穩時間測試
圖 6 顯示 AC 訊號測試。在圖 6 中,將全幅低頻 AC 訊號連接至通道 1,並將通道 2 連接至接地。如圖 6 頂端圖所示,在兩個通道之間以最高取樣率切換取樣 (掃描),並針對源於通道 2 的資料執行快速傅立葉轉換 (FFT),如下方圖所示,即可確認放大器是否正確趨穩。
如果如圖 6 所示,在通道 1 輸入訊號頻率下的 FFT 圖中出現任何大型尖波,放大器就無法完全趨穩。尖波幅度是指電壓誤差量;相對應的趨穩時間則是取樣率的倒數。請注意,使用頻率過高的輸入訊號可能會造成串音,看起來就像通道 2 頻譜中的趨穩時間錯誤。
圖 6.AC 訊號趨穩時間測試
以不同的取樣率與增益重複這個流程,以了解放大器趨穩的速度與誤差量。將 FFT 圖中的尖波幅度降到最低後,放大器就會正確趨穩。您可以使用這個流程來判斷取樣率與增益,以便使用 DAQ 機板準確地來取得資料。
什麼會影響趨穩時間
增益、多工、電源輸出阻抗,以及傳輸線性電阻與電容,都會影響趨穩時間。增益與趨穩時間通常有直接關係——在放大期間，由於頻寬減少與訊號解析度提高，儀器放大器需要更長的時間來趨穩於較高增益。
如果已掃描多個通道,多工可能會延長趨穩時間。 只要在不同 DC 值下的多個通道之間快速切換,就會對儀器放大器產生高頻率輸入。 圖 7 顯示多工期間的儀器放大器輸入範例。
圖 7.多工 42 個 DC 訊號時的輸入至儀器放大器
一旦將電壓套用至儀器放大器的輸入,儀器放大器就需要時間趨穩。 如果通道的切換與取樣率快於放大器的趨穩時間,就會造成不準確的讀數。 如果鄰近通道之間的電壓差較大,這個問題就會更加明顯。
若以高訊號源阻抗多工輸入通道,就會延長放大器趨穩時間。 由於訊號源的阻抗高,加上切換期間的多工器固有電容的充電與放電,因此在掃描多個通道時,可能會造成其他不準確的問題。當自多工器放出的電流接地時,電流會通過高阻抗訊號源;電流與高阻抗訊號源會合而為一,以產生電壓。將此電壓相加至原始訊號,會產生不準確的資料。
使用較高阻抗源時,傳輸線效應也會影響趨穩時間。連接線中電容所產生的電荷,會延長系統的趨穩時間。連接線電容的結果類似於連接線中的小型低通濾波器需要時間進行充放電，進而降低訊號傳輸率。
相同 ADC、不同的設定時間特性
如果比較兩組解析度相同但儀器放大器不同 ADC 的 DAQ 機板效能,您會發現趨穩時間差異所造成的極大差異。圖 8 與圖 9 顯示 2 組 NI 多功能插入式 DAQ 機板的 DC 訊號趨穩時間測試結果：一組機板配備現成可用的儀器放大器，另一組機板則包含 NI-PGIA™。為建立圖 8 與 9 中的圖表,以 100 的增益,將 ±0.048 V 訊號輸入至每個機板的通道 1 與 2 中,並調整取樣率以展示趨穩時間的影響。
圖 8.使用現成可用的儀器放大器進行機板的 DC 趨穩時間測試
圖 9.使用 NI-PGIA 進行機板的 DC 趨穩時間測試
用來產生圖 8 的平價機板包含現成可用的儀器放大器,而誤差邊限則可說明。機板需要在 16 到 17 μs 之間趨穩至 0.5 LSB,也就是指定準確度。用來產生圖 9 的高準確度、高效能機板包含 NI-PGIA 儀器放大器,NI 專為插入式 DAQ 機板所設計,可解決趨穩時間問題。請注意,相較於平價機板的放大器,NI-PGIA 的趨穩速度快上許多。
圖 10 比較 NI-PGIA 與標準現成儀器放大器的趨穩時間。就 DC 訊號測試而言,NI-PGIA 的準確度可達到 12 位元 (大約是標準儀器放大器的 5 倍)。
圖 10.NI-PGIA 的趨穩時間與現成可用的儀器放大器
關於 NI-PGIA
NI-PGIA 與現成可用的標準儀器放大器不同，因為 NI-PGIA 經過特殊設計，可於 2 微秒趨穩至 12 位元的準確度。NI-PGIA 的高準確度與低趨穩時間,主要是因為輸入作業放大器 (運算放大器) 能以接近 1 的閉迴路增益運作,無論是何種程式化增益。這點不同於大多數的作業放大器,因為這些放大器會隨著所設定的增益增加而以更大的閉迴路增益運作。
NI-PGIA 的設計可讓頻寬與線性度在增益增加時相對保持穩定。因此,即使是最高 100 的增益,趨穩時間仍會保持在 2 μs 範圍內。非線性度約為每百萬份 (ppm) 的 1.5 個部分,而 NI-PGIA 的增益誤差則為 ±0.02%。增益誤差的變化主要是因為 NI-PGIA 增益設定電阻器的比率匹配。電阻器的主要功能是設定要套用至輸入訊號的 NI-PGIA 增益。
大多數儀器放大器的 DC 共模拒斥比 (CMRR) 通常會隨著增益減少而降低，但 NI-PGIA 的 DC CMRR 幾乎與增益無關。如同大多數的標準儀器放大器，NI-PGIA AC CMRR 也因為內部雜散電容而出現低增益衰減。NI-PGIA 採用跨導設計，能準確將差動輸入訊號轉換為單端訊號，不需要在儀器放大器中使用精密匹配的電阻器，並且有助於提高 NI-PGIA 的高準確度。
降低趨穩時間效應
要縮短趨穩時間,最有效的方法是使用配備儀控設備放大器的 DAQ 機板,其可在所有增益與速率下確實保持所需的準確度。由於儀控設備放大器會發生最多趨穩時間延遲的情況,因此,請選擇配備優異儀控設備放大器的機板,以取得最準確的資料。
若您已經擁有沒有特殊儀器放大器的 DAQ 機板,還有其他幾項技巧可用來減少對取得資料的趨穩時間影響。然而,前述技術的成效不如使用配備儀器放大器的機板保證能在所有速率與增益下,達到所需的準確度。
處理趨穩時間效應的其中一項技巧,就是根據使用連續或間隔通道掃描的方式,特別安排輸入訊號,如圖 11 所示。並非所有應用皆適用於訊號配置,但請先考慮使用這個方法。
若要盡快連續掃描通道,並在每個通道之間持續相同的時間,應考慮配置訊號,使每個通道之間的電壓變化為常數。然而,當再次對通道序列進行取樣時,您必須對第一個通道進行兩次取樣,讓放大器有時間趨穩。重複一次第一個通道取樣後,放大器就能有足夠的時間補償電壓的最大振幅。
間隔掃描需要盡快掃描所有通道,並在再次開始取樣第一個通道之前延遲時間。這類掃描可讓通道在最後一次取樣的通道與第一次通道取樣重複之間發生最大電壓振幅,讓放大器有時間趨穩,而無需額外進行任何作業。
圖 11.適用於間隔與連續通道掃描的訊號配置
選擇合適的接線材料,也有助於降低趨穩時間造成的影響。由於纜線具有電容,因此接線是另一項考量。避免選擇電容較高的連接線,因為充放電時會造成延遲時間。若要降低連接線中的電容量,請盡可能縮短連接線長度,並選擇採用天然低電容介電材質 (如聚丙烯) 的連接線。
降低趨穩時間效應的最後一項技巧,就是降低取樣率,以及選擇具有低輸出阻抗的訊號源。降低取樣率可讓儀控設備放大器有時間趨穩至所需的準確度。不過,如果將取樣率降至最大輸入頻率的 2 倍以下,就會出現取樣不足的波形與不準確的資料。
當無法使用具有低輸出阻抗的裝置時,可以使用具有低輸出阻抗的訊號處理模組或放大器,用於緩衝機板輸入。使用這個緩衝通常稱為單位增益緩衝或電壓追蹤器,多工器即可接收高阻抗訊號,進而減少趨穩時間造成的影響。
當放大器的趨穩速度未能滿足頻率需求時,您需要考慮選擇其他以所需取樣率進行趨穩的 DAQ 機板。
結論
選擇適當的 DAQ 機板時,需考量趨穩時間,其中包含幾項關鍵。首先,請判斷應用所需的最高取樣率與增益;您必須選擇符合您規格的 DAQ 機板。若您已有 DAQ 機板,請執行 DC 或 AC 趨穩時間測試,以判斷機板的趨穩時間。
了解 DAQ 機板的限制後,請考慮訊號的輸出阻抗,並在可能的情況下安排訊號,將通道之間的電壓變化降至最低。最後,請選擇盡可能較短且電阻與電容低的連接線。透過這些準則,您就能解決所有趨穩時間方面的疑慮,並有信心取得的資料是否正確。