系统错误预算，准确性，解决方案

一目了然 具有高精度,高分辨率 错误的预算 误差表的来源 教程、示例图

任何系统设计都需要开发和分析系统误差预算。系统工程师必须确定系统元件的必要精度级别，包括现场传感器、执行器、信号调节模块(scm)和控制单元(pc和plc)。此外，错误预算需要考虑软件算法的完整性和操作系统的兼容性，或者软件的“开放性”程度。

例如，软件算法计算的精度和分辨率必须与测量精度相适应。在分析系统精度需求时，需要注意分辨率主题，因为它关系到整体精度。通常，在确定系统需求时，准确度和分辨率之间的区别会被误解。虽然精度和分辨率相关，但存在显著差异。

一种具有特定精度的读数装置

精度是测量装置的绝对正确程度，而分辨率是测量装置可以显示或记录的最小数字。例如，测量1伏特内

对于下面的例子，数显量化误差(

它准确吗?这取决于

假设已知电压源恰好为5.643伏。现在想象一下，使用一个100%精确的数字电压表，但只有三个显示数字，并被定义为“3位数分辨率”。读数应该是5.64伏。读数准确吗?有一个准确的电源和一个准确的电压表，但读数并不代表实际的电压值。有些人可能会说，我们100%精确的电压表给了我们3毫伏或0.0532%的读数误差。除非只需要3位数的读数，否则读数可能被认为是错误的。在源和仪器精度为100%的情况下，读取仪器的分辨率和观察者的接受度决定了什么是“准确性”。

假设一个100%精确的5.643伏的电源，但在这种情况下，3位数显示数字电压表有一个值，观察者决定什么是“精度”。

接下来，考虑使用5位显示数字电压表测量精确的5.643伏电源，其指定精度为

使用6位显示数字电压表进行相同的测量，同样具有指定的精度为

显然，这些例子显示了精度和分辨率之间的关系，以及如何根据系统需求和观察者对“错误”的接受程度来评估每种情况。

通常，传感器信号用信号调节模块(scm)进行调节，选择，然后转换成可用的数字，用于分析过程控制或观察。

在“典型仪表信号流”图中，假设传感器具有均方计算，而不是最坏情况下的最大值和最小值。均方根误差定义为各误差平方和的平方根{(E1)2+ (E2)2+ (E3)2}。

转换函数的数值通过具有自己的误差和分辨率规格的显示单元呈现给观测器。此外，分析处理函数导入该数值，以便在复杂的数学操作中使用，这可能基于使用计算捷径获得结果的经验模型，这反过来又具有额外的精度和分辨率规格。因此，详细的误差预算必须包含许多因素，以正确确定“系统精度”。

分辨率不是精度

假设您的项目经理来访，简单地讨论了一下控制系统项目的进展情况，然后询问您和您的团队是否有任何需求。在离开之前，他评论说，在审查项目采购时，他注意到主控制器的模数转换器(ADC)模块是一个16位分辨率的8通道差分输入单元，他认为这将使(216-1)的精度达到0.0015%左右。他说他还注意到你购买的所有SCMs只有0.03%。他礼貌地要求你解释。您可以通过图示表示一种可能的ADC系统开始解释，如“典型仪表信号流”图形所示。你提到，adc被宣传为具有“n”位分辨率，这经常被误解为意味着精度。

规格确实需要仔细检查，但是，以确定单位的准确性。“概念ADC系统”图描述了用于将模拟信号转换为计算机操作或显示的数字表示的典型方案。在这种典型的表示中，半导体开关选择模拟输入信号，这些信号被捕获(采样一小段时间)并保持在采样和保持放大器功能块中(采样和保持放大器;沙)。此SHA功能还可以包含可编程增益功能，以选择性地缩放每个模拟输入。一旦一个信号片被捕获，一个n位计数器开始计数。

计数器内容通过开关电阻或电流源转换成模拟电压。当这个模拟信号等于输入SHA信号时，计数停止和计数器内容作为采样的模拟输入值的数字表示可用。该过程可以在10 mhz范围内以致盲速度对模拟输入进行采样，以提供时变模拟输入的数字表示;它也有许多错误来源，它们共同降低了真正的准确性。它不一定完全由n位分辨率规范决定。

以下是使用典型ADC方案时出现的五个错误:

1. 采样速度。根据奈奎斯特采样理论，如果模拟信号变化迅速，那么ADC的采样速度必须至少是输入信号变化速度的两倍。许多应用使用的采样率至少是输入信号中最高频率的10倍。采样速度低于信号频率的一半将导致不准确的读数。大多数ADC采样速度对于缓慢变化的过程控制信号是足够的。

2. 输入多路错误。输入多路复用电路可能在每条输入线上都有OpAmp缓冲器，这可能会引入误差，例如电压偏置、电流偏置和线性度。此外(更常见的)是两个主要的多路复用器错误:(a)通道之间的串扰，即来自“开”通道的信号将电流泄漏到“关”通道，以及(b)由半导体开关的有限非零电阻和随后电路的有限输入阻抗引起的电压分压导致的信号减少。

3. 采样和保持放大器(SHA)。该功能是一个基于运放的电路，其电容元件全部用于开关，缓冲和保持采样的模拟电压值。因此，会有线性度、增益、电源抑制比(PSRR)、电压偏移、电荷注入和输入偏置电流误差。

4. 转换器。在计数器、比较器和ADC电路中，通常存在总体线性度、量化误差(定义为最低有效位[LSB]的不确定性)等误差

5. 温度．ADC单元内的所有模拟电路功能都受到温度误差的影响，因此分配给ADC的是总体温度误差规范。

“典型14位ADC误差……”表的数据来自各种模数转换器制造商。这不是一个完整的ADC误差分析;所示值表明，内部误差共同影响ADC的整体精度。

这些误差的代数和模型表明ADC分辨率约为1/(2n-1)。要确定实际的ADC精度，应始终仔细检查制造商的ADC规格，以及传感器和scm的规格。

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精度计算表

方法	修正	百分比
马克斯:(1 + E1) * (1 + E2) * (1 + E3)	* 1.00330215	0.330215037%
分钟:(1-E1) * (1-E2) * (1-E3)	* 0.99670215	- 0.329785037
有效值最大值:(1+有效值误差)	* 1.00256710	0.256709953
RMS Min:(1-RMS误差)	* 0.99743290	- 0.256709953
来源:控制工程与信息从Dataforth

典型14位ADC误差:温度变化30°C;

函数	错误原因	典型的
多路复用器	交叉泄漏	0.01 ppm
	开关电阻	0.003
采样保持放大器(S&H)	非线性	One hundred.
	获得	One hundred.
	PSRR	10
	电压偏置	80
	偏置输入电流	0.08
转换器	PSRR	60
	非线性	122
	量化	60
	增益与温度	300
	零度vs温度	300
来源:控制工程与信息从Dataforth

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