模拟采样质量：精确度、灵敏度、精密度和噪声

了解灵敏度、精确度、精密度和噪声，以便理解和改进测量样本的质量。

1. 测量灵敏度
当谈及采样质量时，我们希望评估测量的精确度和精密度。 然而，我们首先要了解示波器的灵敏度，这一点非常重要。 灵敏度是指可以让测量仪器做出响应的输入信号的最小变化量。 也就是说，如果输入信号有一定量的变化-在某一灵敏度上-示波器上的数据也会发生变化。

请不要混淆了灵敏度、分辨率及码宽这三个不同的概念。 分辨率决定了码宽，它是指仪器可以显示的值之间的最小差值。 而灵敏度定义的是使仪器显示的测量值发生变化的最小电压变化量。 比如，量程为10V的仪器可探测到的信号分辨率为1mv，但是它可以探测到的最小电压可能是15mv。 在这种情况下，仪器的分辨率为1 mV而灵敏度为15 mV。

在有些情况下，灵敏度比码宽大。 起初这看起来似乎有违常理——这意味着电压的变化值可以显示出来但是不能被识别吗？ 是的！ 为了理解它所带来的好处，我们想一想恒定直流电压。 如果电压一直保持恒定没有偏差固然会很好，但是信号通常会有轻微的变化，如图1所示。在图中，灵敏度由红线标识，码宽同样也已被标识出。 在这个例子中，由于电压值没有超过灵敏度水平，因此它一直表现为同一数值—哪怕它比码宽大。 它的优点在于不会引入噪音而且将信号作为恒定电压更为精确地显示出来。

 

图1. 灵敏度高于码宽可以消除噪声信号。

一旦信号电平开始上升并超过灵敏度后，仪器就会显示出不同的数值。 如图2所示，请记住测量的精确度不可能高于灵敏度。

 

图2.一旦信号超过了灵敏度水平，仪器所显示的数值就会发生变化。

在如何定义仪器的灵敏度方面还存在一些分歧。 例如，在上述例子中，它被定义为一个常量。 在这种情况下，输入信号电平一旦达到灵敏度电平，信号值就会发生变化。 然而，有时它又是指信号的变化。 当信号变化量达到指定的灵敏度值时，仪器显示出的信号值会发生变化。 这种情况与绝对电压无关，而是与电压的变化量有关。 此外，有些仪器的灵敏度被定义在零附近。

不仅仅是每个公司对灵敏度这个名词的定义不同，即使是同一个公司的不同产品在使用灵敏度这个词时，其使用的定义也会有轻微变化。 通过查阅仪器规范来确定灵敏度的定义是很有必要的；如果在文中并没有详细说明，那么需要联系公司作确切了解。

2. 精确度
精确度是指仪器可以如实地显示被测信号值的能力。 这个名词与分辨率无关，但是仪器的精确度不可能高于分辨率。

精确度的预期值各不相同，具体值取决于所使用的仪器或数字转换器。 比如，一般情况下数字万用表 (DMM)的预期精确度要比示波器高。 不同仪器精确度的计算方法会有所不同，但是我们要常常检查仪器的特性来确定如何给我们所使用的仪器计算精确度。

示波器的精确度
示波器的精确度定义根据水平系统和垂直系统而有所不同。 水平系统与时间标尺或X轴有关；水平系统的精确度是指时基的精确度。 垂直系统与被测电压或Y轴有关；垂直系统的精确度是指增益或偏置精确度。 通常情况下，垂直系统的精确度比水平系统的精确度更重要。

垂直系统精确度通常表示成输入信号的百分比和全量程的百分比。 一些产品规格中将输入信号分解成垂直增益和偏置精确度。 等式1给出了两种精确度定义方法。

等式1. 计算示波器的垂直精确度

比如，示波器的垂直精确度可以用以下方法定义。

我们可以通过在20V的量程下输入10V电压信号来计算精确度。

DMM和电源的精确度
DMM和电源通常将精确度指定为读数的百分比。 等式2给出了三种不同确定DMM和电源精确度的方法。

等式2.计算DMM或电源的垂直精确度。

ppm是指兆比率。 多数说明书中都使用多个表格来测定精确度。 精确度取决于测量的类型、范围、上次校准的时间。 查看您的说明书，确定精确度是如何计算的。

举个例子，将DMM设定在10V量程，并在23°C ±5°C环境下校准后操作90天，预期变为7V信号。 这些条件下的精度度为±(20 ppm读数 + 6 ppm量程)。 这样就可以根据以下公式计算精确度：

在这种情况下，读数与实际输入电压的偏差应该在200 μV内。

DAQ设备的精确度
数据采集卡经常将精确度定义为与理想传递函数的偏差。 等式3显示了数据采集卡精确度定义的一个例子。

等式3.计算DAQ设备的精确度

然后对每项进行定义：

 

这些项中大部分都已在表格中定义出，并且这些定义以额定量程为基础。 产品规范中也规定了噪声不确定度的计算方法。 噪声不确定度是指测量的不确定度，这一不确定性是由于在测量过程中存在噪声干扰，这一干扰会影响精确度。

另外，您的设备可能有多个精度表，使用哪个精度表取决于您是查找模拟输入的精确度、模拟输出的精确度以及您是否启用了滤波器。