由多路复用器引发的多通道模拟量采集结果偏差大的解决方法 - Part II

硬件: Multifunction DAQ (MIO)>>M Series>>USB-6259

问题:

我在使用NI的数据采集卡进行多通道数据采集，如果每次只对一个通道的信号进行采集，既每个任务只有一个被测物理通道，测量结果很理想；一旦一个采集任务中包含有多个通道，往往出现某些通道的测量值与真实值偏差很大，相邻通道间出现干扰，某个通道采集结果出现了另外一个通道的波形特征等现象，导致测量出错；并且采样速率越高，偏差越大。这个问题如何解决？

解答:

3）使用缓冲器，降低信号源阻抗。

降低信号源阻抗，是减小鬼影现象影响的最佳方法。理论上信号源阻抗足够低，内部等效电容C两端电压在足够短的时间内达到被测量的电压，测量值越接近真实值。而降低信号源阻抗的方法通常是使用放大器或电压跟随器(可参考KB 2O8AD10T) ，这往往会带来额外的成本开销，并使得测量电路变得更复杂。

下面的例子中，同时对Source4、Source1(信号源特性见表1)进行测量，结果如图9所示：

图9a. Source4(左)、Source1(右)同时测量，采样率10k，DIFF

图9b. Source4(左)、Source1加缓冲电路(右)同时测量，采样率10k，DIFF

图9a表明，直接对Source4和Source1进行测量，使用AI4->AI1扫描序列，Source1的测量失真严重，其幅值、均值都与实际值完全不符；使用电压跟随器对Source1进行调理，降低其输出阻抗，测量结果见图9b，此时，信号被正确采集。

4）合理设置扫描序列，或加入接地通道，缩短放大器稳定时间。

假设要同时测量Source4、Source3 (信号源特性见表1)，Source4使用±5V的量程，而Source3使用±0.2V量程，MUX从Source4切换到Source3接近一个阶跃过程，放大器同时切换量程和调理大幅变化的电压信号，其稳定时间往往很长。如果如果在扫描序列中，加入接地通道，能有效改善测量性能。

假设需要对Source4和Source3进行测量，分别试验了直接编程按AI4->AI3扫描序列测量，以及在Source4和Source3间加入Source7 (信号源特性见表1)，按AI4->AI7->AI3进行测量，实验结果如下：

图10a. Source4(左)、Source3(右)同时测量，采样率200k，DIFF

图10b. Source4(左)、Source7(中)、Source3(右)同时测量，采样率200k，DIFF

由于Source3值非常小，受噪声影响很大，因此用了Basic Averaged DC-RMS VI，来计算DC均值；图10a中，扫描序列为AI4->AI3，Source3测量结果为112.21mV；而加入接地通道后，AI4->AI7->AI3序列的测量结果显示，Source3的测量结果-44.14mV，非常接近真实值。

上例中，如果是AI4->AI3扫描，当MUX切换至AI3时，内部放大器处理的是从4V到-42.5mV的阶跃，且Source3阻抗很大，因而稳定时间会很长，造成测量值错误。如果加入接地通道，按AI4->AI7->AI3序列扫描，在MUX切换到AI3前，已经切换至AI7(AIGND)，由于AI7阻抗很低，放大器很容易建立到0V状态，而MUX再切换至AI3，相当于一个0V到-42.5mV的阶跃，放大器处理这个阶跃的时间就小得多，因此可以获得更精确的测量值。

合理组织测量序列，使得量程相同、电压范围接近的通道在扫描序列中位于相邻位置，尽量避免相邻序列频繁出现大压差的电压阶跃，是减小鬼影效应，提高测量准确性的有效方法，加入接地通道也是这种思想催生的方法。

关于如何合理配置扫描顺序，在M Series User Manual 中4-8页也有详细叙述，可以从此文档中获得更详尽的内容。

5）加入虚拟通道，获得额外的建立时间。

可以使用虚拟通道的方法，在测量扫描序列中多次连续测量同一实际物理通道，MUX将会多次停留在相同的位置，为放大器获得额外的稳定时间。这种方法通常是通过增加全局虚拟通道实现的。KB 3L8IETLO和KB 6OGJ334C 都提到了这种方法，在此不在赘述，只给出结果。

同样还是上述测量任务，在AI4->AI3中加入AI3 Dummy，形成AI4->AI3 Dummy->AI3D扫描序列，测量结果如下：

^{图11. Source4(左)、Source3Dummy(中)、Source3(右)同时测量，采样率200k，DIFF}

使用虚拟通道之后，Source3的最终测量结果得到了一定的改善，dummy通道的测量值是12.6mV，而Source3的测量值时-41.3mV。

To be continued，refer to Part III.

报告日期: 08/31/2015
最近更新: 09/01/2015
文档编号: 70U3GMMX

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