专利名称：校准具有低分辨率数模转换器的高分辨率数据采集系统的系统和方法
技术领域：
本公开内容涉及校准高分辨率数据采集系统。
背景技术：
由于例如元件的老化、温度、湿度、环境暴露以及误用，测量装备的精度可能随着 时间的过去而逐渐漂移。为了确保测量精度，可以对装备进行周期性的校准。通过将用该 装备执行的测量与已知参考进行比较，可以确定校正因子并且进行存储以供将来与用该装 备进行的测量一道使用。参考源可以是这样一种附加装备，该附加装备例如被配置为输出 特定条件(例如，电压、电流、电阻等等)并且以可用于执行对测量仪器的校准的特定分辨 率(比如，毫安、微安等等)提供与该条件相关联的参数。通常，如果测量仪器可以执行给定分辨率的测量，则用于校准的参考源的测量参 数将会以比该测量仪器的分辨率更高的分辨率被辨识，通常至少一个数量级或两倍高以考 虑测量过程中的噪声。然而，如果测量仪器具有高的分辨率，则用于设计具有甚至更高分辨 率的参考源的测量参数的过程可能很昂贵。
发明内容
高分辨率数据采集(DAQ)系统用具有比所述DAQ系统更高的分辨率的参考源进行 初始校准。在DAQ系统的工作范围进行测量，并根据这些测量确定特征校准系数。对所述 DAQ系数测量进行基于所述校准系数的软件校正。随后，所述DAQ系统随机携带的与该DAQ 系统相比具有较低的分辨率的数模转换器(DAC)，可以通过使DAC生成的信号参考通过生 成输入数字代码字和由校准后的DAQ系统测量的输出电信号的查找表而生成的信号进行 校准。然后，在高分辨率参考不可用的现场校准中，较低分辨率DAC可用于利用该查找表校 准所述DAQ系统。
这些图中图示说明了对高分辨率数据采集系统进行校准的实例。这些实例和图是 示例性的而非限制性的。图1描绘了图示说明根据本公开内容的实施例的高分辨率数据采集系统的实例的框图。图2描绘了图示说明根据本公开内容的实施例对高分辨率数据采集系统的信号 链的一个通道进行初始校准的示例性过程的流程图。图3描绘了图示说明根据本公开内容的实施例的使用具有与数据采集系统相比 较低的分辨率的数模转换器对数据采集系统的进行随后校准的示例性过程的流程图。
具体实施例方式以下描述和附图是说明性的，不应当被解决为限制性的。对很多具体细节进行描 述，以提供对本公开内容的全面理解。然而，在特定示例中，为了避免使描述�：磺澹挥� 描述公知的或传统的细节。在不打算限制本发明范围的情况下，以下给出根据本公开内容的实施例的仪器、 设备、方法及其相关结果的示例。在该说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的参考意味 着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本公开内容的至少一个实施例中。 说明书中多个位置出现的短语“在一个实施例中”不一定指相同的实施例，也不是指与其它 实施例相互排斥的独立或替代实施例。此外，描述了可以由某些实施例呈现而不能由其它 实施例呈现的多个特征。类似地，描述了可以是某些实施例的需求而不是其它实施例的需 求的多个需求。该说明书中使用的术语通常具有本领域中、本公开内容的上文内以及使用各术语 的具体上下文中的普通涵义。以下或在说明书中的其它地方讨论用于描述本公开内容的特 定术语，以向从业者提供关于本公开内容的描述的额外指导。在本说明书任何地方的示例 的使用，包括这里所讨论的任意术语的示例，仅仅是示例性的，并不用于进一步限定本公开 内容或任意示例性术语的范围和涵义。同样地，本公开内容不限于本说明书中给出的多个 实施例。在本描述中使用的以下出现的术语即使结合本发明的特定具体示例的详细描述 使用，也应当以其最宽的合理方式来解释。某些术语甚至可以在以下进行强调，然而，打算 以任意限制性方式解释的任意术语将明显地且具体地限定为该具体实施方式
部分中的那样。为了最小化由于组件老化或组件性能偏移而导致的测量不确定性，精度测量仪器 应当周期性地进行校准。常规技术中，测量仪器要求具有比待校准测量仪器的分辨能力高 的分辨率的参考源。然而，如果测量仪器具有高的分辨能力，例如使用对位模数转换器的 数据获取(DAQ)系统，则可能需要具有至少四位分辨率的精度源来对高分辨率DAQ系统进 行校准。然而二8位的精度源价格高昂。此外，高精度的参考源可以是不适于在不断前进的 现场中使用的灵敏的设备片，因此需要将DAQ系统运回工厂或服务中心进行校准。优选的 是找出使用可以放置在每个DAQ系统本身从而方便在现场对每个系统进行校准的不太昂 贵的低分辨率的校准源。图1是示出根据本公开内容实施例的高分辨率数据采集系统的示例的框图100。 高精度参考源120被示为位于DAQ系统的用于执行DAQ系统的初始校准的模拟前端110的 外部。高精度参考源120具有比模拟前端110高的分辨率。例如，如果DAQ系统的模拟前 端110具有M位分辨率，则高精度参考源120的分辨率应当是至少M位或更高，例如为28位，以分辨噪声的出现。DAQ系统的模拟前端110可以使用高精度参考源120在工厂进行初 始校准，但是初始校准可以在DAQ系统可用期间在任意时间点任意位置处进行校准。DAQ系统的模拟前端110包括数模转换器(DAC) 112、信号链114和模数转换器 (ADC) 116。信号链114是承载信号通过DAQ系统到达ADC 116的一系列电子组件，并且包括 为了清楚起见没有示出的信号调节元件；信号链可以具有一个或多个不同的通道。信号链 114中的每个通道可以具有不同的增益，并且由于增益误差、偏移和非线性会在通道之间变 化，因此应当对每个通道进行独立校准。ADC 116是将连续的模拟信号转换为离散的数字值 的电子电路。ADC 116连接至信号链114的输出端，并且向处理器119输出DAQ系统的测量 结果。DAQ还包括一个或多个存储器单元118和一个或多个处理器119。存储器单元118 可以包括但不限于RAM、R0M以及易失性和非易失性存储器的任意结合。DAQ系统的存储器 单元118用于存储校准常数、查找表和软件校准校正值。进一步地，每个通道的特征斜率和 偏移系统也可以存储在存储器中，如以下所述。在工作时，信号链114的输入是待获取的数据，例如其它电信号的电压测量值。然 而，DAQ系统的校准建立时，在初始校准期间由高精度参考源120提供一个输入，并且在DAQ 系统的后续校准期间由校准后的DAC 112提供另一输入。DAC 112是接收数字代码字作为 输入并输出模拟电信号的电子电路，其中模拟电信号输出具有比DAQ系统低的分辨率。例 如，数字代码字可以是与待生成的特定电信号相对应的η位数字代码字(例如，1100，其中η 等于4)。DAC的分辨率可以根据DAC所使用的位数来量化。进一步地，DAC 112应当具有低 温度系统或者在预期在现场对DAQ系统进行校准的温度范围内维持相对恒定的温度系统。处理器119可以对存储器118进行访问，以在现场或高精度参考源120不可用的 任意地点，使用DAC 112作为校准源对DAQ系统的模拟前端110进行校准。进一步地，处理 器119还在向用户显示之前，将存储在存储器118中的任意软件校准校正值应用于DC 116 所进行的测量。图2是示出根据本公开内容实施例的高分辨率数据采集系统的信号链的一个通 道的初始校准的示例性过程的流程图200。在块205，利用高精度参考源120产生供给到信号链114的通道之一的直流(DC) 电压。可替代地，高精度参考源120可以产生可以由数据采集系统所接受和测量的任意其 它种类的电信号。所产生的DC电压应当位于ADC116的工作范围内。高精度参考源120可 以由处理器119或者正在运行的例如LabVIEW 控制器之类的外部计算机控制。在将DC电压供给到信号链通道之后，读取信号链114输出端的ADC测量值，并且 在块215处在存储器118中记录ADC测量值以及所产生的DC电压。在判定块220，该系统确定是否需要执行ADC测量范围内的附加电压的测试。在一 个实施例中，针对DAQ系统的每个通道预先定义一组测试输入，从而测试DAQ系统的整个测 量范围。通过测试该系统的整个测量范围，可以确定不同幅度水平的误差和非线性。如果 需要测试其它电压(块220-是)，则该过程返回块205，以利用高精度参考源120产生供给 到信号链通道的不同的DC电压。如果先前测试的电压充分跨越ADC 116的测量范围，并且 不需要测试其它电压(块220-否)，则该过程继续块225。精度源120在块205产生的输入电压以及从ADC 116读取且在块215记录的相应输出电压是DAQ系统的测量数据点。曲线可以拟合这些数据点，并且得到的曲线可以用作 DAQ系统的前端通道的特性曲线。前端通道的曲线的斜率和偏移在块225中确定。可以使 用最小二乘拟合算法通过最小化数据点与曲线之间的偏移的平方和来找出对数据的最佳 拟合曲线。以下提供如何应用该算法的描述。
使AX = B，其中矩阵A、X和B给出如下其中，η是针对每个通道提取的数据点测量值的数目，Xi是供给到信号链114的输 入值，Yi是由ADC 116测量的来自信号链通道的输出，并且i是从1至η的索引值。通过针 对矩阵X求解该方程，可以确定系数“a”和“b”。系数“a”是与从前端通道获取的数据点 拟合的曲线的斜率，并且系数“b”是同一曲线的偏移。使用高精度参考源120所确定的这 些校准系数在块230处存储在存储器118中。在一个实施例中，可以对信号通道的增益和 /或偏移进行调节。例如，偏移可以是零输出，或者增益可以被设定为期望值。在块232，当 由ADC 116进行实际测量时，可以以存储器118中存储的并且由处理器119运行的软件来 实施对增益和/或偏移的校准。本领域技术人员会认识到，其它方法也可以用于与数据点拟合的曲线，并且可以 获得不同的曲线。得到的校准曲线被用于确定前端通道的校准系数。由于DAC 112具有其自身的增益和偏移误差，因此DAC 112也应当被校准。在块 235，向DAC 112的输入端供给与特定DC电压相对应的数字代码字。可替代地，DAC 112可以 用于产生可以由数据采集系统接受的任意其它类型的电信号。对应的模拟电压由DAC 112 产生，并且发送到信号链114的通道的输入端。在块MOJ^ADC 116的输出进行测量，其中 如以上所述的那样使用软件针对增益和/或偏移调节对该测量进行校正，并且确定对应的 DAC输出电压。在块M2，在存储器118的查找表中记录对应的DAC输出电压。由于DAQ系 统的模拟前端110已经使用高精度参考源120进行了校准(块205至块23 ，因此可以准 确地确定DAC 112所产生的电压。这样，尽管DAC 112不会以与高精度参考源120—样高 的精度产生电压，但是与输入到DAC 112的对应数字代码字一起，记录由校准后的高精度 ADC 116所测量的对应模拟电压，并且所产生的DAC 112电压参照参考源120的那些电压。 所以，DAC 112不需要具有与参考源120 —样高的精度。进一步地，DAC输出电压可以使用 与其产生输出电压相同的精度再现。 在判定块M5，该系统确定是否需要执行ADC的测量范围内的附加电压的测试。如 果需要测试其它电压(块M5-是)，则该过程返回块235，以利用DAC 112产生供给到信号 链通道的不同的DC电压。如果先前测试的电压充分跨越ADC 116的测量范围，并且不需要测试其它电压 (块M5-否)，则该过程在块299结束。对DAQ系统的信号链的通道之一的校准过程在块 299结束。过程220应当针对DAQ系统信号链的其它通道中的每一个重复。由于包括但不限于老化和环境条件的因素，DAC性能会随时间而下降。因此，应当 规律地，例如每年一次或两次，依赖于DAC的特性和操作条件，利用外部精度源对该单元进行校准。图3是示出根据本公开内容的实施例使用具有比DAQ系统的分辨率低的DAC源对 DAQ系统进行后续校准的示例性过程的流程图300。在一个实施例中，校准过程300应当 在与校准过程200类似的温度条件下执行，以保证由于温度变化而导致的变化不会影响测 量。在一个实施例中，DAC 112的温度系数可以被选择为在执行后续校准的预期温度范围 内具有低温度系数。在块305，由处理器119产生在块MO中存储于查找表中的数字代码字之一，并且 供给到DAC 112，以提示DAC产生对应的模拟电压。可替代地，DAC 112可以用于产生可以 由数据采集系统接受的任意其它类型的模拟电信号。在块310，在DAC 112产生的模拟电压 传播通过信号链114之后，由ADC 116测量该模拟电压。然后，在块325，将由ADC 116测量 的存储于第一查找表中的与供给到DAC 112的数字代码字相对应的电压以及在块310中由 ADC 116测量的电压作为入口存储于存储器118中的第二查找表中。应当注意，ADC 116所 进行的测量自动地包括以上在块232处描述的由处理器119实施的软件校正。在判定块330，该系统确定是否仍然需要测量其它查找表入口。如果第二查找表中 需要更多的入口(块330-是)，则该过程返回块305。如果第二查找表中不需要更多的入 口(块330-否)，则该过程继续块335，在块335使用与以上针对块225所述类似的过程， 确定前端通道的斜率和偏移。在块340，在存储器118中存储新确定的校准系数。在块345，以处理器119所运行的软件实施对信号链通道的增益和/或偏移的校 正。除先前在块232处实施的软件校正之外，还执行在块345处的软件校正。因此，当进行 真实数据采集测量时，校准后的系统会从ADC 116提供正确的读数。该过程在块399结束。 过程300应当针对DAQ系统信号链的其它通道中的每一个重复。除非上下文中清楚地要求了相反的意思，否则贯穿说明书和权利要求，词汇“包 括”及类似的词汇都应被理解为是开放意义上的包括，而非排除或者排斥意义上的包括；也 就是说，具有“包括，但是不限于”的意义。当用在本文中时，词汇“连接”及类似词汇，意味 着直接或者间接地在两个元件之间连接；这些元件之间的连接可以是物理的、逻辑的或者 二者相结合的连接。此外，词汇“这里”、“上”、“下”和类似含义的词汇，当用在本专利申请 文件中时，应指代的是本申请整体而非本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上 述具体说明书中使用单数符号或者复数符号的词汇还可分别包含这些单数符号或者复数 符号。词汇“或”，在指代两项或者更多项的列表时，涵盖了下述对此词汇的阐释该列表中 的任意项；该列表中的所有项；以及该列表中的项的任意组合。对本公开的实施例的详尽描述其目的不在于排除或者将教导限制在上文公开的 精确形式中。上文所公开的本公开的实施例或者示例出于示例目的，各种等同修改可能是 在本公开范围之内的，正如相关领域的技术人员会认识到的那样。例如，尽管处理或者框以 预定的顺序出现，但是可以按照不同的顺序执行具有步骤的例程或者使用具有框的系统， 且某些处理或者框可以被移除、挪动、增添、细分、组合和/或修改以提供替代形式或者亚 组合形式。此外，尽管处理或者框有时是以串行的顺序执行的，但是这些处理或者框也可代 之以并行形式，或者，代之以在不同的时机执行。还应注意文中所有的具体数值都仅是示 例，替代性实施例可使用不同的值或者范围。本文所提供的公开的教导可以应用到其他系统中，而非必须用在上述的系统中。上述各实施例的元素和动作能够加以结合以提供另外的实施例。 上述说明书描述了本公开的特定实施例并描述了所预料的最佳方式，然而不管说 明书在文字上显得如何详�。浣痰级际悄芄灰愿髦址绞嚼词凳┑�。系统的细微之处可能 在实施细节方面变化相当大，但是这亦由本文所公开的主题囊括。如上所述，所使用的特定 的术语在描述本公开的特定特征或方面时，不应被认为表示该术语在本文中被重新定义为 限于与该术语相关的公开的任何特定特性、特征或方面。总的来说，用在权利要求书中的词 汇不应被理解为将公开的范围限定到申请文件所公开的具体实施例中，除非在上述具体实 施方式部分明确地定义了这些词汇。相应地，本公开的实际范围不仅涵盖了所公开的实施 例，还涵盖了按照权利要求书实践或者实施本公开的所有等同方式。
权利要求
1.一种数据采集(DAQ)系统，具有第一分辨率并且包括数模转换器(DAC)，其中所述 DAC具有与所述第一分辨率相比较低的分辨率并且被配置为在使用具有与所述第一分辨率 相比较高的分辨率的参考源对所述DAQ系统和所述DAC进行初始校准之后，用作用于对所 述DAQ系统进行校准的源。
2.根据权利要求1所述的数据采集系统，其中 对所述DAQ系统进行初始校准包括生成第一组数据点，所述第一组数据点通过从所述参考源向所述DAQ系统发送第一组 电信号并且测量来自所述DAQ系统的第一组输出电信号来获得； 根据所述第一组数据点生成所述DAQ系统的第一组校准系数； 基于所述第一组校准系数对所述DAQ系统的测量应用第一软件校正；并且 进一步，其中对所述DAC进行初始校准包括生成第二组数据点，所述第二组数据点通过向所述DAC发送数字代码字以生成从所述 DAC到所述DAQ系统的第二组电信号并且测量来自所述DAQ系统的第二组输出信号来获得， 其中所述第一软件校正已经被应用；并且存储所述第二组数据点，用以将所述DAC用作用于对所述DAQ系统进行校准的源。
3.根据权利要求2所述的数据采集系统，其中生成第一组校准系数包括根据所述第一 组数据点拟合一曲线并且确定所述曲线的斜率和偏移。
4.根据权利要求3所述的数据采集系统，其中根据所述第一组数据点拟合一曲线包括 使用最小二乘拟合算法。
5.根据权利要求2所述的数据采集系统，其中将所述DAC用作用于对所述DAQ系统进 行校准的源包括生成所述第二组数据点中的每个数字代码字并且将该数字代码字供给到所述DAC，其 中所述DAC的输出端连接到所述DAQ系统的输入端； 记录来自所述DAQ系统的每个相应的测量输出； 根据所述数字代码字和相应的测量输出确定第二组校准系数；并且 基于所述第二组校准系数对所述第一软件校正的所述DAQ系统的测量应用第二软件 校正。
6.根据权利要求2所述的数据采集系统，其中所述DAQ系统具有多个通道，并且进一步 地，其中每个通道具有第一组数据点、第一软件校正、第一组校准系数以及第二组数据点。
7.根据权利要求6所述的数据采集系统，其中所述多个通道中的一个或多个通道提供增
8.根据权利要求1所述的数据采集系统，其中所述DAC具有低温度系数。
9.一种具有第一分辨率的数据采集(DAQ)系统，其由具有与所述第一分辨率相比较低 的分辨率的数模转换器进行校准，该系统包括信号链，被配置为接受输入电信号并且提供信号调节；数模转换器(DAC)，连接到所述信号链的输入端，其中所述DAC被配置为接受数字代 码字输入并且向所述信号链的输入端输出相应的模拟电信号，并且进一步地，其中所述DAC 具有与所述第一分辨率相比较低的第二分辨率； 模数转换器(ADC)，连接到所述信号链的输出端；存储器，被配置为存储基于由具有与所述第一分辨率相比较高的分辨率的参考源校准 的DAQ系统、对所述DAQ系统的测量的第一软件校正以及通过向所述DAC发送一组数字代 码字以生成从所述DAC到所述信号链的一组电信号并测量来自所述ADC的一组输出电信号 而获得的一组数据；以及处理器，被配置为至少基于该组数据控制所述DAC以校准所述DAQ系统，其中校准所述 系统包括生成该组数据中的每个数字代码字并且将该数字代码字供给到所述DAC， 记录来自所述DAQ系统的每个相应的测量输出， 根据所述数字代码字和测量输出确定校准系数，并且 基于该组校准系数应用第二软件校正以校准所述DAQ系统，其中所述DAQ系统使用具有与所述第一分辨率相比较低的第三分辨率的参考源进行 初始校准以生成所述第一软件校正。
10.根据权利要求11所述的系统，其中最小二乘拟合算法用于根据所述数字代码字和 测量输出来确定所述校准系数。
11.根据权利要求11所述的系统，其中所述DAC具有低的温度系数。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述信号链包括多个通道，并且针对每个通道 在存储器上存储一组校准系数。
13.根据权利要求12所述系统，其中所述信号链中的一个或多个通道具有增益。
14.根据权利要求9所述的系统，其中使用具有与所述第一分辨率相比较高的第三分 辨率的所述参考源进行校准包括生成第一组数据点，该第一组数据点通过从所述参考源向所述信号链发送第一组电信 号并且测量来自所述ADC的第一组输出电信号来获得；根据所述第一组数据点生成所述DAQ系统的第一组校准系数； 基于所述第一组校准系数对所述DAQ系统的测量应用第一软件校正。
15.一种使用参考源校准数据采集(DAQ)系统的方法，该参考源具有与所述DAQ系统相 比较低的分辨率，该方法包括参考包括数字代码字和相应的测量DAQ系统输出的第一组数据，其中所述第一组数据 通过下列方法获得使用具有与所述DAQ系统相比较高的分辨率的精度参考源预校准所述DAQ系统， 向数模转换器(DAC)发送每个数字代码字以生成从所述DAC到所述DAQ系统的输入端 的第一组电信号，其中所述DAC具有与所述DAQ系统相比较低的分辨率， 测量来自所述DAQ系统的第一组输出电信号；向所述DAC发送每个数字代码字以生成从所述DAC到所述DAQ系统的输入端的第二组 电信号；测量来自所述DAQ系统的每个第二输出电信号；根据所述第一组数据和每个测量的第二输出电信号将每个测量的输出电信号记录为 第二组数据；将所述第二组数据拟合成一曲线； 根据所述曲线确定校准系数；并且至少基于所确定的校准系数对所述DAQ系统应用软件校正。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述DAQ系统包括多个通道，并且每个通道被单 独校准。
17.根据权利要求16所述的方法，所述多个通道中的一个或多个通道提供增益。
18.根据权利要求15所述的方法，其中预校准所述DAQ系统包括生成一组参考数据点，该组参考数据点通过从所述精度参考源向所述DAQ系统发送一 组参考电信号并且测量来自所述DAQ系统的一组参考输出电信号来获得； 根据该组参考数据点生成所述DAQ系统的一组参考校准系数； 基于该组参考校正系数对所述DAQ系统的测量应用参考软件校正。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述DAC具有低温度系数。
20.根据权利要求15所述的方法，其中最小二乘拟合算法用于将所述数据拟合到所述 曲线。
全文摘要
一种校准具有低分辨率数模转换器的高分辨率数据采集系统的系统和方法。该高分辨率数据采集(DAQ)系统使用具有与所述DAQ系统相比较高的分辨率的参考源进行初始校准。在所述DAQ系统的工作范围内进行测量并且根据这些测量确定特征校准系数。对DAQ系统测量进行基于所述校准系数的软件校正。所述DAQ系统随机携带的具有与所述DAQ系统相比较低的分辨率的数模转换器(DAC)通过生成由校准后的DAQ系统测量的输入数字代码字和输出电信号的查找表来进行校准。该查找表用于仅仅使用DAC而非高分辨率参考源对所述DAQ系统进行现场校准。
文档编号G01D18/00GK102062618SQ201010533839
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者V·S·S·库马尔·文内拉坎蒂, 拉梅什·巴布·斯里尼瓦萨 申请人:福禄克公司
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