数字仪表误差来源分析与非线性误差的改进措施.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言随着现代电子技术的发展，数字仪表的内部结构和电路变得更加复杂，电路的结构和形式也越来越多样化，因此数字仪表误差来源是多方面的。一部分是偶然因素引起的误差，其误差性质是没有规律的；另一部分是固定因素引起的误差，误差按固定不变或按某一特定规律变化13。此外，还有测量方法引起的误差，在测量过程中，很多工作环环相扣，如果测量方法不规范，测得的数据会有偏差45。操作人员误差是由操作人员主观原因导致的误差，虽然测量由专业工作人员来进行，但是操作人员个人能力不尽相同，因此，测量结果也有一定差异67。环境条件误差是因分析仪表的电路特性造成的。因此需要进行仪表高低温环境试验，分析仪表在非恒温环境中温度变化对仪表误差的影响，拟合出温度变化的补偿曲线8。本文重点讨论仪表本身结构和设计引入的误差及其改进措施。1 仪表自身因素引入的误差1.1 分压系数误差分压器在数字仪表电路中应用非常广泛，它能够得DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.010引用格式：孙培强，同立民，李卿，等.数字仪表误差来源分析与非线性误差的改进措施J.现代电子技术，2023，46（18）：5356.数字仪表误差来源分析与非线性误差的改进措施孙培强1，同立民2，李 卿2，王 娜2，李 毅2（1.西安计量技术研究院，陕西 西安 710068；2.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710100）摘 要：数字仪表内部电路和结构比较复杂，在测量中会产生系统误差和随机误差，此外，测量方法、操作人员也会使仪表产生误差。仪表自身因素产生的误差来源有分压系数误差、输入放大器引起的误差、数/模转化误差、环境影响引起的误差、噪声和抗干扰能力引起的误差以及非线性误差等。文中重点研究非线性误差的改进措施，给出同相补偿法、反相补偿法、衰减同相补偿法三种电路补偿法来改进非线性误差。此外，创新性地提出一种数据修正法的理论模型，并给出数据修正法的适用范围。最后得出结论：高精度要求的数字仪表，应该使用电路补偿和数据修正相结合的方法，以更有效地消除非线性误差。关键词：数字仪表；误差来源；非线性误差；改进措施；同相补偿法；反相补偿法；衰减同相补偿法；数据修正法中图分类号：TN9834；TM932 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18005304Error source analysis of digital instrument and improvement measures of nonlinear errorSUN Peiqiang1,TONG Limin2,LI Qing2,WANG Na2,LI Yi2(1.Xi an Institute of Measurement and Testing Technology,Xi an 710068,China;2.Shaanxi Institute of Metrology Science,Xi an 710100,China)Abstract：The internal circuits and structures of digital instruments are relatively complex,resulting in systematic and random errors during measurement.In addition,measurement methods and operators can also cause errors in the instrument.The sources of errors generated by the instruments own factors include voltage coefficient errors,errors caused by input amplifiers,digital/analog conversion errors,errors caused by environmental influences,errors caused by noise and antiinterference ability,and nonlinear errors.The improvement measures of nonlinear error are mainly researched,and then three circuit compensation methods:inphase compensation method,antiphase compensation method and attenuation inphase compensation method,are given to improve the nonlinear error.The theoretical model of the data correction method is innovatively given,and the application scope of the data correction method is given.The conclusion is drawn that the digital instrument with high precision requirements should use a combination of circuit compensation and data correction to eliminate the nonlinear error more effectively.Keywords：digital instrument;error source;nonlinear error;improvement measures;inphase compensation method;antiphase compensation method;attenuation inphase compensation method;data correction method收稿日期：20230512 修回日期：202306055353现代电子技术2023年第46卷到一个可以改变的输出电压，电路如图1所示。图1 分压电路图一个可以滑动的触点 C 将电阻 RP 分为两部分，当滑动触点移动时，可改变两部分电阻的比例，分压随电阻的变化见式（1），若电阻参数发生变化，就会形成分压器的比例误差，在交流电下工作时还会有频率误差9。U1=UR1R1+R2U2=UR2R1+R2（1）1.2 输入放大器引起的误差输入放大器是为了提高数字电压表基本量程的输入阻抗，对低于基本量程的信号进行放大，调整为同一数值的电压。由于输入放大器的反馈深度为有限值，输入电阻也不可能无穷大，而且动态范围为有限值，再加上放大器的零点漂移、偏移等因素影响，就会产生误差。1.3 数/模转化误差自然界信号都是模拟信号，但仪表只能显示数字信号，数/模转换器是连接模拟信号与数字信号的桥梁10，在复杂混合电路系统中能起到关键作用。模拟信号理论上可以是无穷小的值，但用数字量来表示时，总会有一个最小的数值，所以用有限位数的数字量来表示模拟量，必然会产生误差，其中包括静电误差、滞后误差、分辨误差等，统称为分辨力误差。1.4 环境影响引起的误差数字仪表由高稳定性的模拟电路和高性能的电子元器件组成，温度的改变会影响模拟电路和电子元器件的物理特性，引起测量系统的误差。环境变化包括温度、湿度等的改变，环境变化引起的附加误差在高精度的测量中是不能忽略的。随着计量校准服务质量的不断提高，现场校准、在线校准和远程校准的需求与日俱增，这也要求仪表能够适应不同的环境条件，并且其计量特性也能够满足现场环境的要求8。1.5 噪声和抗干扰能力引起的误差在电磁环境复杂的场所，信号的传输过程中会要受到噪声的干扰，干扰会使仪表产生测量误差。根据噪声干扰模式的不同，分为共模干扰和串模干扰。串模干扰是指作用在信号输入端两极的干扰电压（电流）；共模干扰是信号输入端对地的电位差，主要由电网系统干扰串入、地电位差及空间磁场在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成11。1.6 非线性误差数字仪表内存在大量的非线性元器件，因此，非线性因素有很多，如放大器的半导体元器件产生的非线性、反馈网络的负载效应导致分压比的非线性等12。数字仪表的随机误差可以通过多次测量取算术平均值来解决，数字仪表已知的系统误差可以通过加修正值或乘修正因子来解决。本文针对仪表的非线性问题提出的几种解决方案是数字仪表误差中最难解决的部分。2 非线性误差的改进措施仪表非线性误差的改进措施越来越受到人们的重视，因为非线性误差对高准确度的数字仪表影响还是比较明显的，数字仪表经调零及斜率调节后，非线性误差依然存在，对于数/模转换器中含有数/模转换的电路影响较大。减小仪表非线性误差的方法主要有以下几种。2.1 电路补偿法电路补偿法采用补偿电路使数/模转换的非线性误差缩小到准确度等级所要求的范围内，能从根本上减小误差。对于中、低准确度的数字仪表，推荐使用此方法。若补偿的非线性误差小于1 ppm量级，则不推荐使用电路补偿方法，因为必须对具体的数/模转换方案进行深入的理论分析，然后得出非线性误差的表达式，再用复杂的电路形式进行数/模转换，如双斜、三斜、多斜积分类型。产生非线性误差的原因之一是积分电容的介质吸收效应，其本身只影响双斜数/模转换的响应速度，即只进行一次测量产生的非线性误差；若测量次数足够多，其并不产生固定的非线性系统误差。这是由于积分电容的介质吸收效应使得变换响应速度变慢，特别是测量次数较少时，此效应的影响以非线性系统误差的形式呈现。对于双斜、三斜、多斜积分型数/模转换，积分电容的介质吸收效应的电路补偿法主要有同相补偿法、反相补偿法、衰减同相补偿法三种。2.1.1 同相补偿法同相补偿法即指补偿电路接在积分放大器的同相输入端与输出端之间的方法，电路如图 2 所示。串联RKCK补偿电路的支路数量取决于所需线性度的要求。该方法把两条 RKCK补偿支路进行并联来实现非线性系统误差小于 1 ppm量级的情况。这种补偿法电路结构简单，补偿效果良好，但是所需的RK阻值高达1091010 ，给实际生产和工艺技术带来了一定挑战。54第18期图2 同相补偿法电路2.1.2 反相补偿法反相补偿法电路如图 3所示，由 RK、CK、RK、CK和直流增益为-K的放大器组成补偿电路。该方法原则上可以实现全补偿，若选取适当的K值，可使补偿电路中RK、RK的值有效降低，但是电路要复杂一些。图3 反相补偿法电路2.1.3 衰减同相补偿法衰减同相补偿法兼顾上述两种方法的优点，工艺上简单易行。补偿电路如图 4 所示，RK、CK可由多条支路并联构成。总之，上述三种方法均适用双斜及其改进型的数/模转换，三种方法实质上都是提高积分型的转换响应速度，进而改善转换结果的线性度。不同的数/模转换原理所使用的电路补偿方法也不尽相同。图4 衰减同相补偿法电路2.2 数据修正法数据修正法是将数/模转换所得的数值作为中间结果，然后由其转换特性所建的数学模型或校准曲线等方法予以数据校正，最后给出准确的测量结果Nxg。图 5为UxNxg转换特性曲线，其中 U0为刻度的校准点，Uxm为输入电压的量程额定值，实线表示其理想的转换特性，虚线为实际的转换特性。这一方法并不能从根本上消除非线性误差源，而是在存在系统误差的基础上（不论误差是大是小，必须稳定或呈现规律变化），通过数值修正的方法予以消除。所以此法适用于内附处理芯片的数字仪表或测量系统。图5 UxNxg转换特性曲线首先，合理选择校准点。所谓“非线性”前面已经叙述，是指数/模转换特性中存在的高阶项，用提高读数容量的步进微扰累加法来表示的Ux的误差为：ux=Nxg-Ux=Ux-f(Ux)Ux+g 2（2）式中：Ux为相对误差；f(Ux)为非线性误差；为绝对误差；g 2为分辨力误差。等式右边前两项为相对误差，后两项为绝对误差。由式（2）可知：若f(Ux)为常数，则不存在非线性误差。只有当式（3）成立时，才可能存在非线性误差。f(Ux)=C+1Ux+2U2x+nUnx（3）一般情况下有：nn-1 2 1 1若 只 考 虑 f(Ux)-f(U0)Ux的 第 二 次 项，则f(Ux)=C+1Ux。对于实际的数/模转换系统，通常已经满足要求。令F=|f(Ux)-f(U0)Ux，若f(Ux)=C+1Ux，则F=|1(Ux-U0)Ux。当Ux 0,Uxm时 可 证 明，校准点最佳的选择条件即F为最小值的条件，公式如下：孙培强，等：数字仪表误差来源分析与非线性误差的改进措施55现代电子技术2023年第46卷U0 0.828UxmFmin 0.7121U2xm（4）由此可知，数据修正法并未减少转换特性的非线性误差，只是通过校准点 U0的最佳选择来调整理想直线（与 U0有关）同实际曲线的相对位置，进而使在 0Uxm之间的非线性误差绝对值达到误差要求。此外还需指出，式（4）只适用于f(Ux)=C+1Ux形式的数/模转换系统，否则，其最佳条件也会不同。3 结 论数字仪表的误差是不可避免的，若要从根本上减小非线性误差，应使用电路补偿法。若仪表内部存在微处理系统，可采用数据修正法。对于高精度要求的数字仪表，应该使用电路补偿和数据修正相结合的方法，这样能更有效地消除非线性误差。参考文献1 齐艳娟.仪器仪表和传感器静态误差的分析J.企业标准化，2006（5）：5859.2 李林娜.饮用水水质在线仪表检测误差形成因素的分析J.食品安全导刊，2022（5）：4951.3 何港玲.电工仪表的测量误差与消除办法J.智库时代，2018（48）：176.4 张金光，吴珊珊.影响计量仪表误差的因素及优化措施分析J.黑龙江科技信息，2016（20）：43.5 李巍，李原.电工仪表的测量误差及消除策略分析J.科技创新与应用，2015（28）：219.6 刘文斌.电测仪表测量误差形成原因分析及应对措施研究J.南方农机，2018，49（20）：127.7 姜海岩.仪器仪表测量误差影响因素分析J.石化技术，2017，24（7）：104.8 许广文，郭增军，王艳霞，等.高精度温度测量仪表环境温度补偿方法的研究J.工业计量，2022，32（6）：2627.9 李让，郝松，金月红.人工电源网络电压分压系数不确定度评定J.品牌与标准化，2015（1）：8182.10 华猛，黄伟军，刘传洋，等.一种 BCD 码数/模转换器的设计J.现代电子技术，2018，41（16）：2630.11 赵纪垒.自动化仪表的抗干扰策略分析J.电子元器件与信息技术，2022，6（3）：135137.12 杨秋菊，王彤.扩散硅压阻式压力传感器非线性误差纠正方法J.哈尔滨工程大学学报，2023，44（3）：466472.13 陈文苗.变电站数字仪表示数识别方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.作者简介：孙培强（1983），男，山东莱州人，硕士研究生，高级工程师，主要从事计量方面的研究。同立民（1970），男，陕西西安人，工程师，主要从事计量方面的研究。李 卿（1982），男，山东鄄城人，硕士研究生，助理工程师，主要从事计量方面的研究。王 娜（1984），女，陕西渭南人，硕士研究生，工程师，主要从事计量方面的研究。李 毅（1996），男，陕西山阳人，硕士研究生，助理工程师，主要从事计量方面的研究。56