数据采集系统通道间串扰的校准方法

肖天雷 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

数据采集系统通道间串扰的校准方法

肖天雷 / 上海市计量测试技术研究院；上海市在线检测与控制技术重点实验室

介绍通道间串扰的成因和JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》中关于直流信号对直流通道的串扰能力的校准方法，并提议在一定工况条件下还应对交流信号对直流通道的串扰能力以及交流信号对交流通道的串扰能力进行校准，最后通过实验对上述三种串扰进行计算和不确定度评定，并对结果进行总结，突出该校准项目的重要意义。

数据采集系统；通道间串扰；校准方法；不确定度

0 引言

多路数据采集系统（模块）能够通过不同的传感器将相应的测量信号转为电信号[1]，从而实现对温度、电信号、压力、位移等参数的测量和处理。所以，对数据采集系统（模块）进行定期校准是必不可少的。

常规的数据采集系统校准项目通常包括电压、电流、电阻等信号的示值误差。随着工业设备和生产线的不断升级和大型化、复杂化，对于数据采集系统来说，所使用的采集通道数量也不断增加，这就不可避免地会引起通道间串扰。现行的JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》[2]在一定程度上对数据采集系统的通道间串扰提供了校准依据。它给出了利用直流电压源作为干扰信号，对相邻通道的读数进行测量的方法，并以串扰抑制比SCRR作为评价指标。然而，数据采集系统的输入信号不只是直流电压信号，所以仅通过直流干扰信号的校准就对数据采集系统通道串扰性能进行评价是片面的。

本文首先介绍了通道间串扰产生的原因和现行的校准方法，再对现行校准规范的要求进行一定程度的扩展，对不同信号产生的通道间串扰进行测量和不确定度评定，并对结果进行分析和总结。

1 通道间串扰产生的原因和现有的校准方法

数据采集系统普遍采用多路模拟开关，按一定的时序对各通道进行循环采集，再通过十分复杂的方式进行量化。该设计方法可以有效降低硬件的空间、功耗及设计成本, 同时满足多参数的设计任务要求[3]。然而，由于集成化程度的不断提高，导线或引脚之间的距离不断缩小，必然会产生寄生电容。所以在多路开关的输入端，交流信号会通过寄生电容对相邻通道产生干扰。而对于直流信号，模拟开关的切换动作会引起一定时间内的电压抖动。由于该抖动为交流信号，所以也会通过寄生电容影响相邻通道[4]。较严重的通道串扰可能会引起不必要的噪声和采样误差。

虽然通道间串扰是不可避免的，但对于要求不高的使用场合，该校准项目仅仅作为可选项。现行的JJF 1048-1995在第12节中给出了直流信号对直流通道的串扰能力校准方法的建议。

2 现有校准内容的不足及扩展

通道间串扰可以由直流信号产生，也可以由交流信号产生。根据数据采集系统通道配置的不同，产生的影响也各不相同。

在功率测量中，电流和电压通道之间产生的串扰会影响功率计算的准确性[5]；空调用焓差试验台的数据采集器中直流电压产生的串扰可能会引起相邻通道温度测量的准确性。机动车风洞试验中交流电压可能会影响变送器直流输出电压的测量；而对于开关电源、电机控制中的软启动器等设备，数据采集器测量的信号频率会更高[6]，更容易对其他通道对应参数的测量产生影响。所以，在数据采集系统通道串扰项目的校准中，仅仅考虑直流信号对直流通道产生的串扰是不全面的。

在某些输入信号类型较多，且对采集精度要求较高的场合，建议对特定通道的串扰能力进行校准。根据使用要求，不仅可以校准直流信号对直流通道的串扰能力，还可以校准交流信号对直流通道的串扰能力以及交流信号对交流通道的串扰能力。

3 通道间串扰的校准方法和结果分析

3.1 校准方法

根据JJF 1048-1995中的要求，采用如图1的接线方法，对数据采集系统直流信号对直流通道的串扰进行校准。其中，R0为1 kΩ标准电阻，CHn+1宜选择使用中对串扰较为敏感的通道。

对于交流信号对直流通道，以及交流信号对交流通道通道串扰能力的校准，仍采用图1的接线方法和校准规范中对于各自通道量程的要求。信号源采用多功能校准器。需要注意的是，在进行零位串扰的测量时，干扰信号的幅值应接近于零，低于采样通道的量程。采样通道的平均值由10次读数计算得出。

图1 通道间串扰检测接线图

3.2 直流信号对直流通道的串扰能力

实验中干扰通道和采样通道都按照各自量程设置为直流电压测量模式。测量结果如表1所示。

表1 直流信号对直流通道串扰能力的实验结果

3.3 交流信号对直流通道的串扰能力

实验中干扰通道和采样通道都按照各自量程设置为交流电压测试模式和直流电压测量模式。参考JJF 1048-1995中12.6节公式29，交流电压信号“零位”幅值选取0.1 V，按照式（1）计算通道间串扰抑制比。

测量结果如表2所示。

表2 交流信号对直流通道串扰能力的实验结果

3.4 交流信号对交流通道的串扰能力

实验中干扰通道和采样通道都按照各自量程设置为交流电压测试模式。根据式（1）计算串扰抑制比，结果如表3所示。

表3 交流信号对交流通道串扰能力的实验结果

4 不确定度评定

4.1 测量模型

本次校准的测量模型为

4.2 不确定度分量

根据测量模型，各不确定度分量和相关灵敏系数如表4所示。

表4 测量不确定度来源汇总表

4.3 不确定度计算

三种情况的测量不确定度计算结果如表5～表7所示。

表5 直流信号对直流通道的串扰抑制比测量不确定度评定表

表6 交流信号对直流通道的串扰抑制比测量不确定度评定表

表7 交流信号对交流通道的串扰抑制比测量不确定度评定表

5 结果分析

理想情况下，干扰通道和采样通道的信号是互相隔离互不干扰的。然而，由于数据采集系统本身设计的局限性，以及导线分布的影响，通道间串扰是不可避免的。

实验结果表明：

1）直流通道对直流电压信号的串扰抑制能力最强。原因是此时串扰主要是由模拟多路开关切换产生的电压抖动造成的，而电压抖动本身能量较小，持续时间较短，所以通道串扰能力最小；

2）直流通道对交流电压信号的串扰抑制能力次之。鉴于直流通道本身对交流信号具有抑制能力，交流信号通过寄生电容对相邻通道产生的影响并没有让通道串扰明显增强；

3）交流通道对交流电压信号的串扰抑制能力最差。这是因为采样通道被设置为采集交流电压信号，所以更容易接收干扰信号通过寄生电容产生的串扰，从而大大降低串扰抑制能力；

4）在干扰源同为交流电压信号的情况下，通道串扰抑制比随着信号频率的增大而减小。这说明高频信号更容易对相邻通道产生串扰。所以在使用高频信号的场合，更应该重视对通道间串扰的校准。

此外，布线、环境温湿度等条件可能会影响数据采集系统读数的稳定性，在高精度场合会造成较大的不确定度。

6 结语

对数据采集系统通道串扰能力评价的重要性，目前大部分数据采集设备都在其用户手册[7]中对此做出相应的说明。本文通过实验对校准规范中的相关内容进行验证和扩展，分别对直流信号对直流通道的串扰能力、交流信号对直流通道的串扰能力，以及交流信号对交流通道的串扰能力进行了校准，分别计算串扰抑制比、并完成测量不确定度的评定和实验结果分析。

鉴于在特殊使用场合通道间串扰可能产生的影响，可以根据客户需求，在适当的情况下在校准证书中包含对该参数的校准。

[1]许兴明，刘国伟. 多路数据采集器自动校准系统的设计与实现[J]. 宇航计测技术，2012，32（5）：45-48.

[2]中国航空工业总公司第304研究所.JJF 1048-1995 数据采集系统校准规范[S].北京：中国计量出版社，1995.

[3]杜红棉，祖静. 关联标定方法在多路数据采集系统通道串扰中的应用[J]. 仪表技术与传感器，2010（10）：89-91.

[4]Channel Crosstalk[EB/OL]，http：//kb.mccdaq.com/KnowledgebaseArt icle50019.aspx，2012-4-30.

[5]M.Fu，K. Tsai，S. Prashanth，Crosstalk Calibration for High Precision Power Measurement[C]. Energy Conversion Congress and Exposition，2015：6589-6593.

[6]C.Davis，E.Kroon，Calibration： meeting the challenges of highfrequency power measurement[EB/OL]，http：//tmi.yokogawa.com/files/content/Whitepaper_Calibration_Final.pdf.

[7]2635A Series II Users Manual，1997，Fluke Corporation.

[8]郑永秋，史赟，李圣昆，等. 多通道高精度数据采集电路的设计与实践[J]. 电测与仪表，2011，48（9）：86-90.

Calibration method for channel-to-channel crosstalk in data acquisition system

Xiao Tianlei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology；Shanghai Key Lab of On-line Testing and Control Technology）

The cause of crosstalk and the traditional calibration method for DC-DC crosstalk are introduced according to JJF 1048-1995Calibration Specification of Data Acquisition System. The calibration of AC-DC crosstalk and AC-AC crosstalk are proposed. Test is carried out the measurement uncertainty is evaluated. The result shows the importance of this calibration item.

data acquisition system; channel-to-channel crosstalk;calibration method; measurement uncertainty