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数据采集软件的性能及校准方法 GB/T 38888-2020

发布时间：

2021-05-25

本标准规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。

前言

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由中国机械工业联合会提出。

本标准由全国电工仪器仪表标准化技术委员会(SAC/TC 104)归口。

本标准起草单位:哈尔滨电工仪表研究所有限公司、国网山东省电力公司电力科学研究院、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、丹东华通测控有限公司、厦门一希智能科技有限公司、国网四川省电力公司计量中心、云南电网有限责任公司计量中心、黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司、浙江晨泰科技股份有限公司、国网天津市电力公司电力科学研究院、深圳市江机实业有限公司、深圳市科陆电子科技股份有限公司、许继集团有限公司、深圳市星龙科技股份有限公司、华立科技股份有限公司、国网四川省电力公司电力科学研究院、国电南瑞科技股份有限公司、浙江万胜智能科技股份有限公司、杭州西力智能科技股份有限公司、西安久鑫长物联网科技有限公司。本标准主要起草人:姜滨、赵斌、陈闻新、王清、韩桂菊、周超、刘海波、林宏松、张翔、沈鑫、高榕徽、郭闯、吕金、段锋、胡青波、王乙童、闫垚锋、黄建钟、曾仕途、赵智辉、王凯、李兆刚、李克、段春芳。

引言

全自动测量系统已广泛应用在制造业测试、研究及涉及测量的各个领域。测量自动化实现了广泛的数据共享、仪器间通信和远程测量控制。多功能数据采集设备(DAQ)则满足了这些测量需求。DAQ依靠标准的计算机技术,使得测量系统开发人员能够充分利用开放的计算机标准。DAQ进行的测量是准确并可溯源的。要保证测量完整性,不仅需要为测量硬件制定标准,而且还需要为校准硬件的软件制定标准。

数据采集软件的性能及校准方法

1范围

本标准规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。

本标准新盖:

--DAQ制造商提供描述DAQ的模数转换模块(ADM)性能的最小规范;

--用来验证最小规范要求的标准试验策略;

--存储在DAQ上的ADM所需的最低校准信息;

--DAQ的ADM的外部校准和自校准的最低校准软件要求。

本标准适用于低频信号转换的DAQ。

示例:应用在设备控制、振动测量、振动诊断、声学、超声波测量、温度测量、压力测量、电力电子测量等方面的低频号转换。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 27025- 2008 检测和校准实验室能力的通用要求(ISO/1EC 17025；2005，IDT1)

ISO/IEC GUIDE 98-3:2008测量不确定度第3部分:测量不确定度表示指南

IEC 60748-4:1997半导体器件集成电路第4部分:接口集成电路

IEC 60748-4-3:2006半导体器件集成电路第4-3部分:接口集成电路模拟/数字转换器(ADC)的动力学标准

3术语和定义、符号和缩略语

3.1术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1模数转换模块

多功能数据采集设备的模拟输人。

3.1.2应用程序接口

标准化的子程序或函数集合以及程序能调用的参数。用于数据采集设备的应用程序接口允许程序员用来交互和控制设备的操作。

3.1.3编码转换电平

在两个相邻输出编码之间转换点处的ADM的输人参数值。

注:作为一个输入值的转换点,这一输入值会导致50%的输出编码小于转换的上层编码,50%大于或等于转换的上层编码。转换电喷平T[k]位于编码k-1和编码k之间。

3.1.4数据采集设备

用于输人或收集数据的设备。

注:多功能DAQ依靠个人电脑(商用PC、工业PC、紧凑型PCI、笔记本等)进行控制。这些设备的设计目的为满足测量系统的一般需求,而非用于特定类型的测量。DAQ通常提供多种测量模式。如模拟输人、模拟输出、数字输人、数字输出和计时器功的。本标准仅涉及DAQ的ADM。

3.1.5台阶中心值

步中心的模拟值。

注:不包括模拟值总范围两端的步。对于步的末端，步中心值为当相邻步转换的模拟值被适当地减小或放大步长的标称值一半时产生的模拟值。

3.1.6标称台阶中心值

由相应的数字输出编码理想地表示并摒除错误的步内的规定模拟值。

3.1.7额定工作条件

在测量期向应满足的组条件,以确定测量不确定度参数的有效性。

3.1.8步 step

模拟输入值的小数范围和相应的数字输出值。

3.1.9步长 step width

对应一步的模拟值范围两端之间差值的绝对值。

3.2 符号和缩略语

3.2.1缩略语

下列缩略语适用于本文件。

ADM:模数转换模块

API:应用程序接

CMRR:共模抑制比

DAQ:数据采集设备

DIFF:差分

DNL:差分非线性

ENOB:有效比特位数

FS:满量程

INL:积分非线性

L.SB:最低有效位

NRSE:非参考单端

GB/T 3888-2020

PC:个人电脑

RSE:参考单端

SFDR:无杂散动态范围

SINAD：信纳比

3.2.2符号

下列符号适用于本文件。

Vs:满量程电压。

Vrsmn:标称满刻度电压范围。

Vreae:实际满量程电压范围。

Vz:零点电压。

Vzs:零刻度电压。

4测试软件的通用性能要求

4.1测试程序和测量不确定度估计

提出的一组通用规范，针对不同制造商生产的ADM,可用于比较两个DAQ的ADM。包含一组可以并行比较ADM功能的核心信息。

DAQ应满足它们发布的规范。如果需安验证这此规范,可通过测试ADM的步骤米确认DAQ的规范。

DAQ的ADM的测量不确定度应符合4.2的规定。

4.2 ADM的通用要求

描述ADM的最小子集基本参数应包括:

--通道数量；

--输人类型；

--满量程输入范围；

--过电压保护；

--分辨力；

--采样率；

--输入阻抗；

--最大工作电压；

--额定工作条件。

可测最的参数应按照以下内容被测试；

--不确定度的增益分量；

--偏移；

--共模抑制比；

--增益和偏移的温度漂移；

--积分非线性；

--差分非线性；

--噪声；

--稳定时间；

--通道切换误差；

--串扰；

--模拟输人带宽。

注:本标准不包含中高频部分。中高频的技术要求按IEC607484-3；2006处理。

在输人为正弦波信号时,还应测试以下参数:

--信纳比；

--有效比特位数;.

--无杂散动态范围；

--总谐波失真;

--信号与非谐波比。

4.3参数的描述

4.3.1通道数量

通道数量应为ADM支持的能同时或顺序采样的输入信号数。

4.3.2 输入类型

输入类型为输入信号如何能被连接到ADM。可能的模式包括:

---参考单端(RSE)。在RSE连接中,DAQ的模拟输入信号应参考于一个可被其他输入信号共享的共同

接地。

---非参考单端(NRSE)。在NRSE连接中,DAQ的模拟输人信号应参考于信号局部接地。局部接地应与测量系统的模拟接地不同。

---差分（DIFF）。在差分连接中，DAQ的模拟输入信号应具有自己的参考信号或信号返回路径。带差动输入的ADM可将输入阻抗指定为ADM的正输入和负输入之前的阻抗。带差动输入的ADM还可将输入阻抗指定为正输入和地之间或地之间的阻抗。

4.3.3 满量称输入范围

满量程输入范围应为通过总步数以恒定的精度进行编码的模拟值的总范围，满量程输入范围应用伏特表示（见IEC 60748-4;1997中2.1.18）

4.3.4 过电压保护

过电压保护应对ADM输入电路保护，以防潜在的损坏电压，DAQ在上电和关机状态时应显示过电压保护，过电压保护应以伏特表示。

4.3.5分辨力

分辨力应为模拟输入量等效值被辨别的程度（见IEC60748-4：1997中2.2.1 ）

数字分辨力用于表示总步数所需的位数（n）(见IEC 60748-4；1997中2.2.2)

模拟分辨力（Q）为步长得标称值（见IEC 60748-4；1997中2.2.3）

4.3.6采样率

采样率应为每单位时间的转换次数，采样率宜以每秒采样数表示。

4.3.7不确定度的增益分量

不确定的增益分量应为偏移量调整为零后，转换图中指定增益点处的实际电压和理想转换电压之前的差值。不确定度的增益分量应以满量程输入范围的百分数表示，并应包括所需的校准时间间隔（见IEC607478-4:1997中2.2.5.3）

4.38 偏移

偏移应为实际和理想的第一次转换电平之间的差值（见图B.3）,偏移应以ADM测量单位表示，宜包括保证的校准时间间隔（见IEC 60748-4;1997中2.2.5.2）

注：第一转换电平为ADM输出从0变为1的转换电平。

4.3.9共模抑制比

共模抑制比应为在规定电路中，将规定的参考点和ADM输入端子连接在一起是，该参考和ADM输入电子之间的施加的电压与产生相同输出时ADM输入电子之间所需的电压之间的比率。

4.3.10输入阻抗

输入阻抗应为ADM的信号输入和信号共用向之间的阻抗，输入阻抗应在ADM通电、断电和隔离输入相纸过载的情况下规定。

4.3.11增益和偏移的温度漂移

增益的温度漂移应以没摄氏度量程输入范围的百分数表示，偏移的温度漂移以每摄氏度的ADM测量单位表示。

4.3.12积分非线性

积分非线性应为偏移和不确定度的增益分量之间的差已被调整为零后，任何两个相邻步之间转换的实际模拟值与理想值之间的差值。INL应描述实际值和模拟量的理想值之间的差值。INL以LSB表示。

4.3.13差分非线性

差分非线性（DNL）应为实际步长与理想值的差值，DNL和LSB表示。

4.3.14最大工作电压

最大工作电压应为正常使用中宜施加于ADM的最高电压。工作电压宜在安全格度的击穿电压以下，最大工作电压应为实际信号电压和共模电压之和，以伏特表示。

4.3.15噪声

噪声应为ADM输出信号(转换为输入单元) 与ADM输人信号之间的偏差[不包括由线性时间不变系统响应(增益和相移)和直流电甲偏移或采样率偏差引起的偏差],例如,噪声包括随机偏差、固定模式偏差、非线性,时基偏差(采样时间和孔径不确定度的固定偏差,也称为抖动)以及内部数字信号对模拟部分的不良渗透的影响。噪声以ADM测量单位表示。对于直流或极低频输入信号,用4.4.7测量方式搞述系统噪声时,不包括非线性和时基偏差的影响。

SINAD和ENOB包括非线性和时基偏差的影响。

4.3.16单通道测量的稳定时间

单通道测量的稳定时间应为ADM达到一定精度并保持在精度内的所需时间。稳定时间应以达到给定精度范围所省的秒表示。ADM应在单通道上测最步进信号来确定单通道测量的稳定时间。

4.3.17通道切换误差

通道切换误差应为通道之间切换ADM引入的最大幅值偏差。通道切换误差以FSR的百分数表示。

4.3.18信纳比(SINAD)

对于纯正弦波输入,们纳比(SINAD)应为ADM输出信号在输人额率处的有效值幅值与ADM输出中所有其

他信号的有效值幅值之比(见IEC60748 4-3:2006中3.4)

注: SINAD信息宜在输入和采样频率范围内以一系列增益的形式提供。

4.3.19串扰

串扰应为另一个信道上存在信号面导致的信道中不希塑出现的能量,可由感应、传导或非线性等引起。串扰应为一个通道上输出的有效值与另一个通道上输入正弦波的有效值之比。串扰以dB表示。

注:串扰信息宜在两个通道和输入频率范围内以一系列增益的形式提供。