高精度AD采集卡性能测试及评价方法研究

王 鲍， 张雄杰， 胡 斌， 夏侯命栋， 李 东

(1.东华理工大学 核技术应用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013; 2.东华理工大学，江西 南昌 330013)

0 引 言

随着智能化的迅速普及，需要利用传感器采集的数据也越来越多，而大部分传感器的输出信号都是模拟信号，例如温度、液位等[1-2]，但是对于常用处理器，只能处理数字信号，这时则需要将模拟信号数字化。因而，获取数据的精度成为了仪器设备的评价的重要指标，精度越高，可靠性越好[3]。多数仪器在设计时重点关注数据采集的质量，在某些特定场合下，更是要求其采集得到的数字信号具有极高的精度，同时为了方便使用，将AD（Analog-Digital）采集部分单独模块化，从而催生了高精度采集卡的诞生。

AD采集卡是一种基于AD采集芯片、连接传感器与计算机之间的重要部件。到目前为止，其广泛应用在工、农业等生产环节中需要同时监控多种参数（如温度、压力等）的场合[4]。

目前，市面上的采集卡多数为8位、12位、16位和24位，而对于32位采集卡的应用较少，价格也高低不等，但是其整体性能评价方法却鲜有报道，因此很少有对其性能的测试，对于市面上的高精度采集卡，如何评价其性能便成为了关注的焦点[5]。

AD采集卡的技术参数指标通常有通道数、采样频率、分辨率、精度、量程等[6]。由于通道数和量程是根据需求直接选择的，不便于作为评价采集卡的标准，而分辨率和精度等参数的判定则需要进行准确的数据采样后计算分析得到，尽管产品化的AD采集模块提供部分数据指标，但大多数参数均在固有条件下平均测量得到，因此给出的数据并不能作为评价某一AD采集卡的实际数据。

本文主要对AD采集卡的分辨率和精度进行四个方面的评价，分别是采集卡的有效位数、已知信号的拟合度与标准方差、线性度和不确定度，并通过三款采集卡对评价方法进行验证分析，为实际应用中的AD采集卡选型提供依据。

1 测试方法

首先将AD采集卡进行多组数据采集，分别选择单极性零电压输入、单极性正弦信号输入和单极性恒定电压（非零）输入。

1.1 有效位数

有效位数是指噪声和失真存在时，AD采集实际可达到的位数，采集的精度是通过AD转换器的有效位数来反映的，有效位数越高，要求系统的噪声就越低[7]。

对AD采集卡采集进行有效位数（ENOB）判定，以连续的20次单极性零电压输入的ADC输出值的最大误差Δ计算，其中Δ为输出值的最大值和最小值差值，通过 2n-1-1≤Δ≤2n-1求得n，再通过下式求出ENOB[8]：

1.2 正弦信号线性拟合的r2与标准方差

有效位数的测量中除了单极性零输入测量，其他测量都要求需要高精度稳压电源，为了解决这一问题，这里采用测量单极性的正弦信号，通过Matlab拟合算法对采集得到的数据进行sin曲线拟合，求得对应曲线的拟合标准差，来判断AD采集卡的精度，标准误差（RMSE）公式为[9]：

式中：n——测量次数；

yi——真实值；

——预测值。

1.3 线性度

为了判断AD采集在测量范围内的线性情况，需要对整个量程进行取点测量偏差。以一定间隔的电压分别加在测量通道上，将转换结果（AD转换结果为10次测量结果的均值）对电压进行线性拟合，求取线性拟合度。

1.4 不确定度

为了测试数据的可信赖程度，因此需要测量采集卡采集数据的不确定度，它是测量结果质量的指标，测量不确定度评估是计量校准领域一项基础性的工作，所有计量校准的结果都必须有相应的测量不确定度描述[10]。需要对一恒定的电压值进行多次采集，由于每次测量都为等精度测量，故可用算数平均值的标准偏差来计算所测数据的不确定度，计算公式为[11]：

式中：u—— —不确定度；

n——测量次数；

xi—— —每组测量值；

—— —所有测量数据算术平均值。

由于不能确定恒定信号源精度，因而无法直接将采集转化的结果作为评价采集卡性能的依据。AD采集卡采集得到的数据不确定度受到了两方面的影响：1）被测信号的精度与稳定性；2）AD采集卡自身的采集精度与稳定性。由于两个因素彼此独立，故二者不确定度由公式（4）可推出合成不确定度u。u1为被测信号的精度与稳定性引起的不确定度，u为采集卡采集得到的数据计算出的不确定度，由公式（4）即可求得因采集卡自身的采集精度与稳定性引起的不确定度u2[12]。

2 影响因素分析

AD采集即将模拟量转化为数字量。AD数据采集卡的出现是为了解决非数字量的采集问题，采集过程通常为传感器获取到自然界中的某一待采集连续变化量，生成非电量或者电量形式的模拟信号，通过AD采集芯片将其送到处理器或者上位机中进行处理和分析[13]。

市面上的大多数AD采集卡都由AD采集芯片、处理器、通信模块等组成，流程如图1所示。数据采集卡是实现数据采集功能的计算机拓展卡，可以通过 USB、RS232、485、WIFI、Zigbee和以太网等各种通信同计算机相连接[14]。以本文测试的某一32位AD采集卡为例，其AD采集芯片为ADS1263，处理器为STM32F407，与上位机之间通信模块为RS485，可实现8路的32 bits AD数据采集。

图1 一般AD采集卡流程

本研究选用的AD采集卡是基于高精度低速采集设计的。首先是在信号输入部分的噪声，许多采集的模拟信号中存在高频噪声，会对AD采集的结果造成影响，大部分AD采集卡的信号输入部分会通过RC滤波器来消除高频噪声。由于测试不同的采集卡均来自同一信号，因此信号带来的噪声对所有设备影响相同，本文并未对此进行探讨。

因为AD是将模拟信号转换为数字型号，那么AD采集必定涉及数字和模拟两大部分，但是两部分的信号一般会相互影响，需要分别对其处理，一般的AD采集卡硬件部分都会将数字和模拟信号区域完全独立，对两个区域做独立的布线和隔离，避免AD的模拟输入引脚靠近数字信号通路，这样可以最大幅度降低数字信号的开关噪声对模拟信号的影响[6]。AD采集电压时，AD芯片需要提供一个基准电压，而基准电压的稳定与否，直接影响了AD采集的精度，同时供电电源质量也会直接影响AD的采集精度[15]。

为了进一步提高采集卡的采集精度，在PCB的绘制过程中会尽量缩减高频器件的连线长度，从而降低电磁干扰，也对供电和接地采用加宽或者布置单独的PCB层，可以增加信号传输的稳定性，减少电磁辐射带来的干扰[16]。

3 测试平台及结果

3.1 测试平台

对本文方法进行验证的采集卡均使用ADS1263采集芯片，ADS1263是一颗 32 bits、38-kS/s、具有低噪声可编程增益放大器（PGA）的模数转换芯片，其内部结构如图2所示，由输入电压多路选择器、传感器偏置、可编程增益放大器、32位Δ-∑调制器、滤波和SPI数字串行接口等组成。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等[17]。

图2 ADS1263的结构图

这里首先将AD采集卡分别进行多组数据采集，为了验证评价方法，对于三款32 位的AD采集卡进行精度的评价，三款采集卡分别为采集卡A、采集卡B和采集卡C，三款采集卡价格差不超过100元，其外观分别如图3的 (a) 、 (b) 和 (c) 所示。采集卡C相对于采集卡A、B，可以看出在参考电压部分采用了锂电池供电，而采集卡B相对采集卡A布局更为合理，数字与模拟部分分隔较好。

图3 三种高精度AD采集卡实物图

3.2 采集卡有效位数测试结果

根据采样需求选取不同速率进行测试，三款采集卡的采样速率均为2.5 S/s，分别对三份采集卡测试。采用单极性零电压输入测试其有效位数，将AIN0与AINCOM相连，采集20组AD采样的输出值，其结果如图4所示，采集卡A的最大AD采样值为48 347，最小值为33 842；采集卡B的最大AD采样值为40 365，最小值为32 586；采集卡C的最大AD采样值为41 981，最小值为36 706，根据公式（1）计算得到三个采集卡的有效位数分别为ENOBA=18.1 bits，ENOBB=19.1 bits，ENOBC=19.4 bits。

图4 单极性零电压输入A、B与C采集卡采集值

3.3 正弦信号线性拟合的r2与标准方差测试结果

单极性正弦信号输入来测试三块AD采集卡的拟合曲线r2和标准差，示波器采集得到正弦波图像如图5所示。采集40组AD采样的输出值，其结果分别如图6、图7和图8所示，同时利用示波器采集同一信号，对示波器采集得到的信号进行正弦曲线拟合，示波器采集得到正弦信号进行拟合如图9所示。

图5 示波器采集正弦信号

图6 采集卡A采集正弦信号拟合曲线

图7 采集卡B采集正弦信号拟合曲线

图8 采集卡C采集正弦信号拟合曲线

图9 示波器采集正弦信号拟合曲线

三个采集卡采集得到数据利用示波器拟合函数进行曲线拟合，采集卡A的拟合曲线为1.994×sin (0.314 1x+0.144 4) ，r2为 0.957 8，RMSE 为 0.299；采集卡B的拟合曲线为1.994 sin (0.314 1x+0.179 3) ，r2为 0.985 9，RMSE为0.167 5；采集卡C的拟合曲线为 1.994 sin (0.314 1x+0.055 69) ，r2为 0.994 3，RMSE为0.113 3；示波器所得拟合曲线方程为1.994×sin (0.314 1x–0.043 06) ，r2为 0.997 3，RMSE 值为0.077 59。

3.4 线性度测试结果

利用多组单极性恒定电压（非零）输入来测试三块AD采集卡的采集线性度。所得结果如图10所示，可见采集卡C的线性度最好，r2为0.999 98。

图10 恒定电压输入波形图

3.5 不确定度测试结果

利用单极性恒定电压（非零）输入来测量采集卡的不确定度，由于缺乏高精度测量仪器，故信号本身不稳定带来的不确定度无法测量，这里假设其值为确定值u1=X，再分别利用采集卡测量同一信号，计算采集得到数据的不确定度uA、uB和uC。采用2 V直流电压进行测量，测量结果如图11所示。

图11 恒定电压输入波形图

其中采集卡A的不确定度uA为 9.428 327×10–3；采集卡B的不确定度uB为1.408 777×10–3；采集卡C的不确定度uC为 1.790 95×10–5。通过公式（4）求得

3.6 评价结果

三个采集卡测量数据对比如表1所示。在测试结果中，通过三个采集卡的比较可得到采集卡C的性能明显优于采集卡B，而采集卡B的性能优于采集卡A，从而验证了评价方法的可行性。从而验证了采集卡C相较于采集卡B和A的差别在于采集卡C提供参考电压的稳压模块由锂电池供电，大大降低了电源波动对采集卡精度的影响，提升了采集卡的性能，而采集卡B相对于采集卡A的优点在于数字部分和模拟部分隔离较好，导致整体性能较采集卡A好。

表1 三个采集卡测量数据对比

由表1中的结论可以判断出采集卡性能的相对优劣程度，可以得出通过判断有效位数、正弦信号线性拟合的r2与标准方差、线性度和不确定度来判断采集卡的性能。

4 结束语

本文对如何评价采集卡性能进行研究，提出了测量AD采集卡精度的多种方法，并以多组ADS1263为采集芯片的高精度AD采集卡进行性能测试，对方法进行验证。通过单极性零电压输入来判断AD采集卡有效位数，通过单极性正弦信号输入判断波形采集后线性拟合的r2和标准差，以及单极性恒定电压（非零）输入来判断采集卡的线性度和不确定度。通过多方面的评价，可以判断出AD采集卡的性能优越性，研究结果为AD采集卡的性能评价提供了测试方法，具有一定的应用价值。