3.3 工业数据采集关键指标
传感器电信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号反应物理世界连续变化的现象，数字信号则对应开关状态，非0即1。模拟信号经过模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）采集，变为可读的数字量，ADC将时间连续、幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值离散的数值，一般经过取样、保持、量化及编码4个环节。在实际电路中，有些过程是合并进行的，例如，取样和保持、量化和编码往往都是在转换过程中同时完成的。
ADC是数据采集设备的关键组件，除此之外，数据采集设备还需时钟电路提供稳定的采样时基，参考电平作为转换基准，可编程增益放大器对微信号放大，才能正常工作。数字信号的采集相对直接，在大学的数字电路课程里，已经接触了比较器、与门等概念，数字信号的0或者1代表两种相反的状态，但数字信号有多种电平标准，如TTL、CMOS、LVDS等，有些物理接口如RS-232还有自己的电气标准（负逻辑）。图3-4所示为某数字信号采集模块功能框图[1]，左上半部分表示数字输入前端。数字信号测量后得出逻辑值0或1，除此之外，有些在高速时钟电路下采样，可用于测量数字信号的频率、脉宽和占空比。
图3-4 数字信号采集模块功能框图（经NI公司授权引用）
除了电信号，光信号是另一个大分支，非电效应转换为光信号。以光纤传感器为例，光纤传感器以光为介质（取代电），通过探测光纤上入射光波属性的变化，如波长、强度、相位、偏振等，反映外界物理量的变化。把光波作为信号的载波，利用激光单色性，通过波分复用技术，在同一条光纤中可同时传输多个波长光信号，方便地将多个传感器挂在同一条光纤上，大大节省线缆。
光纤传输损耗非常低，适合长距离传输，而且抗电磁干扰。尽管光纤传输有诸多优点，但是考虑到成本，在现实应用中还是以电信号为主，而且光信号最终将通过光电转换器件转换为电信号，反之亦然。关于光信号的采集不做进一步展开，接下来主要介绍电信号中的模拟信号采集关键指标。
1. 分辨率
分辨率（Resolution）指ADC位数，如12位的ADC和16位的ADC之间存在差别。现实世界中的信号是连续的，而通过ADC采样后，得到一系列离散的数值，在同样的电压范围内，ADC位数越高，可表示的电压阶梯数越多，电压阶梯数为2resolution。图3-5所示是原始正弦波信号，假定使用3位ADC采集，它能表示的电压阶梯数为8，而8位ADC的电压阶梯数为256，ADC位数越高，越能够准确地还原真实信号。
图3-5 不同分辨率ADC
2. 量程
量程（Range）是数据采集设备能测量的信号范围，这个好理解，比如±10 V和±2 V，分别代表不同的电压输入范围。高级数据采集设备具有可变量程，量程可设置，通过内部可编程增益放大器实现。可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）是一种通用性较强的放大器，可利用程序设定其放大倍数。假定数据采集设备使用3位的ADC（假设有这种ADC），它有2个量程，分别为±10 V和±2 V，待测信号为幅值2 V的正弦波2sin（ωt + t0），如果量程设置不一样，采集的数据结果将会有什么差别？我们先给出关键定义——码宽（Code Width）。
码宽=测量范围/ 2resolution
- 量程设置为±10 V，测量范围为20 V，则码宽= 20/23 = 2.5 V，即它的每一个电压阶梯之间的差别为2.5 V，正弦波被采集后数字化结果最多有3个值——2.5 V、0、-2.5 V。
- 如果量程是±2 V，测量范围为4 V，那么码宽= 4/23 = 0.5 V，在正弦波一个完整周期内将采样到8个不同的阶梯值，而不仅是3个值（数据采集设备利用可编程增益放大器先将待测信号放大到充满整个±10 V采集范围，再根据信号放大倍率按比例将采样值换算回真实值），更小的码宽将更好地还原信号。
量程的设置影响数据采集精度，在明确信号大小的情况下，尽量选择接近的量程档。
3. 采样率
采样率fs（Sample Rate）指每秒钟采集的信号样本数量。模拟信号是连续时变信号，而采样信号则以特定采样率得到一系列离散采样点。理论上采集得越快，采样得到的信号越逼近实际信号。对于快速变化的信号，可用时域和频域两个维度表示。对于数据采集设备，采样率多大合适，才能将原本真实世界的连续信号通过采样完全重建出来？关于这个问题有个重要的理论叫奈奎斯特定律（Nyquist Theorem），它指出当采样率大于原始信号最高频率分量fmax的两倍以上时，可准确复现原始信号的频率。这一定律是通信与数字信号处理学科中的一个基本理论。如果不满足条件fs > 2fmax，则会出现混叠现象（Aliasing）。如图3-6所示，待采集信号频率为100 Hz，采样率为每秒100时，采样得到的可能是直流信号，采样率为每秒200时，可以真实反映信号的频率和变化，虽然对于频率测量来说，采样率足够了，但是如果要准确地采集信号波形，则采样率至少是待采集信号频率的5～10倍，即fs > (5～10)fmax。
图3-6 奈奎斯特定律
4. 绝对精度
人们总是希望测量结果就是真实值，而实际情况如何呢？实际测量时，测量值与真实输入值之间总会存在一定偏差。虽然每次测量时，这种不确定程度是不固定的，但它有一个范围，此不确定范围为数据采集设备标称的最大误差，即绝对精度（Absolute Accuracy），如图3-7所示。
图3-7 绝对精度
绝对精度受多个因素影响，以数据采集设备的输入通路为例，输入通路主要包括多路选择器（可选）、可编程增益放大器和模数转换器。通路的各个环节都可能引入噪声，例如参考量随时间和温度变化产生漂移、可编程增益放大器对信号增益后的非线性、叠加在输入信号中的随机噪声等，叠加在一起将对测量结果产生影响，影响绝对精度。通常认为分辨率越高的数据采集设备，绝对精度越高，例如14位的应该比12位的精度高。事实上，绝对精度受很多因素影响，它是一个系统级指标，和数据采集设备本身的前端设计、参考量稳定性、放大器的增益非线性等都有关系，如图3-8所示，因此并不能直接和分辨率挂等号。业内有些公司将绝对精度指标列于产品手册中，对用户来说有着非常重要的指导作用，可以直观评估数据采集设备是否满足业务场景的精度要求。
图3-8 不确定度
5. 校准
由于数据采集设备的电子元件随时间推移会发生自然漂移，准确性会受到影响，因此应定期校准硬件，以保证精度。校准包含两步动作，首先是“验”，通过标准信号源验证设备数据采集的准确性。例如设备电压采集精度验证过程，将高精度电压源连接到数据采集设备，电压源输出稳定电压值如9.9 V，查看数据采集设备读数，依据数据采集设备的产品规格指标设置上下门限（Low Limit和High Limit，与绝对精度紧密相关），判断读数是否在上下限范围内，如果在范围内，则“验”的环节通过，如果不在，则“验”的环节不通过，需要进行下一步动作——“校”。
专用的校准仪表Calibrator通常集成直流电压源、交流电压流、直流电流源、交流电流源、可编程电压负载，每个组件的精度都非常高，作为参考基准，校准数据采集设备的精度。其他的高精度源如高精度频率计数器用于校准频率测量精度，高精度微波信号源用于校准射频信号采集设备的功率精度和频率精度。图3-9所示是某数据采集设备的验证过程报告。
图3-9 数据采集设备“验”过程
如果“验”环节不通过，例如读数偏差大，超出数据采集设备标称的精度指标，那么“校”的过程就要把它纠正回来。有两种“校”的方式，一种是硬校准，这种最严格，对于仪器仪表级别的数据采集设备，设计时已考虑校准接口，根据“验”环节测试的偏差，将更新的补偿参数写入固定存储区EPPROM，使得数据采集设备恢复到它标称的测量精度。“校”不是万能的，如果数据采集设备老化，使用过程损耗，导致电子元件失效，则无法通过校准纠正，即使更新EPPROM，采集数据还是不准。“校”的过程失败，具有资质的机构将出具校准失败报告，数据采集设备需要送修。
另一种方式是软校准，应用于非仪器级的数据采集设备，未设计校准接口。举个例子，在消费电子行业电声测试领域，为降低产品测试成本，有些公司采用声卡对产品做出厂前测试，无论是幅值精度、总谐波失真还是信噪比，声卡精度都比专用音频分析仪要差，对于某些场合，声卡也够用。使用声卡测量幅值前，先用标准信号源标定声卡，标准信号源输出v0，声卡读数v1，记录差值v1-v0，实际测量时，算法会将此偏差补偿进去。
再举一个软校准的例子，基于数字传感器的数据采集设备，数字传感器在单芯片封装上集成了传感器、ADC模数转换器以及数字通信接口I2C或SPI，成本相对低一些，集成到数据采集设备中做成标准产品，例如温度采集器，体积小巧。数字传感器在出厂前由芯片厂商做了校准，集成于产品后直接投入使用，一年后产品送计量机构验证，如果验证通过，产品继续使用，如果验证不通过，采用软校准纠正或者直接报废。由于产品价格没有那么高，即使数字传感器有校准接口，而校准将产生一定费用并花费时间，因此厂商有时也会选择直接报废。
校准分为“验”和“校”两部分，很多第三方机构只提供“验”的服务，如果“验”的环节不通过，则出具检验不通过报告并贴上标签，然后将数据采集设备返还给客户，无法进一步提供“校”服务进行纠正。