GB/T 38888-2020
基本信息
标准号： GB/T 38888-2020
中文名称：数据采集软件的性能及校准方法
标准类别：国家标准(GB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
关联标准
出版信息
相关单位信息
标准简介
GB/T 38888-2020.Performance and calibration methods for data acquisition software.
1范围
GB/T 38888规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。
GB/T 38888涵盖:
一DAQ制造商提供描述DAQ的模数转换模块(ADM)性能的最小规范;
一用来验证最小规范要求的标准试验策略;
一存储在 DAQ.上的ADM所需的最低校准信息;
一DAQ的ADM的外部校准和自校准的最低校准软件要求。
GB/T 38888适用于低频信号转换的DAQ。
示例:应用在设备控制、振动测量、振动诊断.声学、超声波测量、温度测量、压力测量、电力电子测量等面的低频信号转换。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 27025-2008检测 和校准实验室能力的通用要求(ISO/IEC 17025 :2005,IDT)
ISO/IEC GUIDE 98-3:2008测量不确定度 第 3部分:测量不确定度表示指南(Uncertainty of measurement-Part 3:Guide to the expression of uncertainty in measurement)
IEC 60748-4:1997半导体器件集成电路第4部分:接口集成电路( Semiconductor devices-Integrated circuits-Part 4:Interface integrated circuits)
IEC 60748-4-3:2006半导体器件集成电路第 4-3部分:接口集成电路模拟/数字转 换器(ADC)的动力学标准( Semiconductor devices-Integrated circuits-Part 4-3 : Interface integrated circuits-Dynamic criteria for analogue- digital converters( ADC))
1范围
GB/T 38888规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。
GB/T 38888涵盖:
一DAQ制造商提供描述DAQ的模数转换模块(ADM)性能的最小规范;
一用来验证最小规范要求的标准试验策略;
一存储在 DAQ.上的ADM所需的最低校准信息;
一DAQ的ADM的外部校准和自校准的最低校准软件要求。
GB/T 38888适用于低频信号转换的DAQ。
示例:应用在设备控制、振动测量、振动诊断.声学、超声波测量、温度测量、压力测量、电力电子测量等面的低频信号转换。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 27025-2008检测 和校准实验室能力的通用要求(ISO/IEC 17025 :2005,IDT)
ISO/IEC GUIDE 98-3:2008测量不确定度 第 3部分:测量不确定度表示指南(Uncertainty of measurement-Part 3:Guide to the expression of uncertainty in measurement)
IEC 60748-4:1997半导体器件集成电路第4部分:接口集成电路( Semiconductor devices-Integrated circuits-Part 4:Interface integrated circuits)
IEC 60748-4-3:2006半导体器件集成电路第 4-3部分:接口集成电路模拟/数字转 换器(ADC)的动力学标准( Semiconductor devices-Integrated circuits-Part 4-3 : Interface integrated circuits-Dynamic criteria for analogue- digital converters( ADC))
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标准内容
ICS17.220.20
中华人民共和国国家标准
GB/T38888—2020
数据采集软件的性能及校准方法Performance and calibration methods for data acquisition software2020-06-02发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-12-01实施
1范围
规范性引用文件
3术语和定义、符号和缩略语·
3.1术语和定义
符号和缩略语
4测试软件的通用性能要求
测试程序和测量不确定度估计
ADM的通用要求.
参数的描述
可测量参数的测试方法
硬件功能校准
内建校准信息·
硬件调整的一般测量
自调节硬件
6软件校准方法：
总则·
校准应用程序编程接口（API)
自校准方法·
外部校准方法
校准程序
附录A（规范性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
通过方法B进行静态测试的伪代码和数值示例·ADM特征
模块化DAQ系统不确定度的计算示例GB/T38888—2020
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。GB/T38888—2020
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国电工仪器仪表标准化技术委员会（SAC/TC104）归口。本标准起草单位：哈尔滨电工仪表研究所有限公司、国网山东省电力公司电力科学研究院、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、丹东华通测控有限公司、厦门一希智能科技有限公司、国网四川省电力公司计量中心、云南电网有限责任公司计量中心、黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司、浙江晨泰科技股份有限公司、国网天津市电力公司电力科学研究院、深圳市江机实业有限公司、深圳市科陆电子科技股份有限公司、许继集团有限公司、深圳市星龙科技股份有限公司、华立科技股份有限公司、国网四川省电力公司电力科学研究院、国电南瑞科技股份有限公司、浙江万胜智能科技股份有限公司、杭州西力智能科技股份有限公司、西安久鑫长物联网科技有限公司。本标准主要起草人：姜滨、赵斌、陈闻新、王清、韩桂菊、周超、刘海波、林宏松、张翔、沈鑫、高榕徽郭闯、吕金、段锋、胡青波、王乙童、闫圭锋、黄建钟、曾仕途、赵智辉、王凯、李兆刚、李克、段春芳m
GB/T38888—2020
全自动测量系统已广泛应用在制造业测试、研究及涉及测量的各个领域。测量自动化实现了广泛的数据共享、仪器间通信和远程测量控制。多功能数据采集设备（DAQ)则满足了这些测量需求。DAQ依靠标准的计算机技术，使得测量系统开发人员能够充分利用开放的计算机标准。DAQ进行的测量是准确并可溯源的。要保证测量完整性，不仅需要为测量硬件制定标准，而且还需要为校准硬件的软件制定标准。
iiKaeeiKAca
1范围
数据采集软件的性能及校准方法本标准规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。本标准涵盖：
DAQ制造商提供描述DAQ的模数转换模块（ADM)性能的最小规范；一用来验证最小规范要求的标准试验策略；一存储在DAQ上的ADM所需的最低校准信息；DAQ的ADM的外部校准和自校准的最低校准软件要求。本标准适用于低频信号转换的DAQGB/T38888—2020
示例：应用在设备控制、振动测量、振动诊断、声学、超声波测量、温度测量、压力测量、电力电子测量等方面的低频信号转换。
规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T27025一2008检测和校准实验室能力的通用要求（ISO/IEC17025：2005，IDT）ISO/IECGUIDE98-3：2008测量不确定度第3部分：测量不确定度表示指南（Uncertaintyofmeasurement-Part 3:Guide to the expression of uncertainty in measurement)IEC60748-4：1997半导体器件集成电路第4部分：接口集成电路（SemiconductordevicesIntegrated circuitsPart 4:Interface integrated circuits)IEC60748-4-3：2006半导体器件集成电路第4-3部分：接口集成电路模拟/数字转换器（ADC)的动力学标准（Semiconductordevices—IntegratedcircuitsPart4-3：InterfaceintegratedcircuitsDynamic criteria for analogue-digital converters(ADC))3术语和定义、符号和缩略语
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1.1
analoguetodigitalmodule
模数转换模块
多功能数据采集设备的模拟输人。3.1.2
应用程序接口applicationprograminterfacel标准化的子程序或函数集合以及程序能调用的参数。用于数据采集设备的应用程序接口允许程序员用来交互和控制设备的操作。1
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编码转换电平codetransitionlevel在两个相邻输出编码之间转换点处的ADM的输入参数值。注：作为一个输入值的转换点，这一输入值会导致50%的输出编码小于转换的上层编码，50%大于或等于转换的上层编码。转换电平T[k位于编码k一1和编码k之间。3.1.4
数据采集设备dataacquisitiondevice用于输入或收集数据的设备。
注：多功能DAQ依靠个人电脑（商用PC、工业PC、紧凌型PCI、笔记本等）进行控制。这些设备的设计目的为满足测量系统的一般需求，而非用于特定类型的测量。DAQ通常提供多种测量模式，如模拟输人、模拟输出、数字输入、数字输出和计时器功能。本标准仅涉及DAQ的ADM。3.1.5
midstep value
台阶中心值
步中心的模拟值。
注：不包括模拟值总范围两端的步。对于步的末端，步中心值为当相邻步转换的模拟值被适当地减小或放大步长的标称值一半时产生的模拟值。3.1.6
标称台阶中心值
nominalmidstepvalue
由相应的数字输出编码理想地表示并摒除错误的步内的规定模拟值。3.1.7
额定工作条件
rated operating conditions
在测量期间应满足的一组条件，以确定测量不确定度参数的有效性。3.1.8
步step
模拟输入值的小数范围和相应的数字输出值3.1.9
stepwidth
对应一步的模拟值范围两端之间差值的绝对值。3.2
符号和缩略语
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
ADM：模数转换模块（analoguetodigitalmodule）API：应用程序接口（applicationprograminterface）CMRR：共模抑制比（commonmoderejectionratio)DAQ：数据采集设备（cataacquisitiondevice）DIFF：差分（differential)
DNL：差分非线性（differentialnon-linearity）ENOB：有效比特位数（effectivenumberofbits）FS：满量程（fullscale）
INL：积分非线性（integralnon-linearity）LSB：最低有效位（leastsignificantbit）NRSE：非参考单端（non-referencedsingleended）2
PC：个人电脑（personalcomputer）RSE：参考单端（referencedsingleended)SFDR：无杂散动态范围（spuriousfreedynamicrange）SINAD：信纳比（signaltonoiseanddistortion)3.2.2符号
下列符号适用于本文件。
VFs：满量程电压。
Vesiom：标称满刻度电压范围。VrsR：实际满量程电压范围。
Vz：零点电压。
Vs：零刻度电压。
测试软件的通用性能要求
测试程序和测量不确定度估计
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提出的一组通用规范，针对不同制造商生产的ADM，可用于比较两个DAQ的ADM。包含一组可以并行比较ADM功能的核心信息。DAQ应满足它们发布的规范。如果需要验证这此规范，可通过测试ADM的步骤来确认DAQ的规范。
DAQ的ADM的测量不确定度应符合4.2的规定4.2
ADM的通用要求
描述ADM的最小子集基本参数应包括：通道数量；
输入类型；
满量程输人范围；
过电压保护：
分辨力；
采样率；
输入阻抗；
最大工作电压；
额定工作条件
可测量的参数应按照以下内容被测试：不确定度的增益分量；
偏移；
共模抑制比；
增益和偏移的温度漂移；
积分非线性；
差分非线性；
噪声；
稳定时间；
通道切换误差；
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一串扰；
模拟输入带宽
注：本标准不包含中高频部分。中高频的技术要求按IEC60748-4-3：2006处理。在输人为正弦波信号时，还应测试以下参数：信纳比（SINAD)；
有效比特位数（ENOB)；
无杂散动态范围（SFDR）；
总谐波失真（THD)；
信号与非谐波比（SNHR）。
4.3参数的描述
通道数量
通道数量应为ADM支持的能同时或顺序采样的输人信号数。4.3.2输入类型
输入类型为输人信号如何能被连接到ADM。可能的模式包括：参考单端（RSE）。在RSE连接中，DAQ的模拟输人信号应参考于一个可被其他输人信号共享的共同接地。
非参考单端（NRSE）。在NRSE连接中，DAQ的模拟输入信号应参考于信号局部接地。局部接地应与测量系统的模拟接地不同。差分（DIFF）。在差分连接中，DAQ的模拟输人信号应具有自已的参考信号或信号返回路径带差动输人的ADM可将输入阻抗指定为ADM的正输人和负输人之间的阻抗。带差动输人的ADM还可将输人阻抗指定为正输人和地之间或负输人和地之间的阻抗。4.3.3满量程输入范围
满量程输人范围（VFSnom）应为通过总步数以恒定的精度进行编码的模拟值的总范围。满量程输人范围应用伏特表示（见IEC60748-4：1997中2.1.18）。4.3.4过电压保护
过电压保护应对ADM输人电路保护，以防潜在的损坏电压。DAQ在上电和关机状态时应显示过电压保护。过电压保护应以伏特表示4.3.5分辨力
分辨力应为模拟输人量等效值能被辨别的程度（见IEC60748-4：1997中2.2.1)。数字分辨力用于表示总步数所需的位数（n）（见IEC60748-4：1997中2.2.2）。模拟分辨力（Q）为步长的标称值（见IEC60748-4：1997中2.2.3）。4.3.6采样率
采样率应为每单位时间的转换次数。采样率宜以每秒采样数表示。4.3.7不确定度的增益分量
不确定度的增益分量应为偏移量调整为零后，转换图中指定增益点处的实际电压和理想转换电压4
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之间的差值。不确定度的增益分量应以满量程输人范围的百分数表示，并应包括所需的校准时间间隔（见IEC60748-4:1997中2.2.5.3)。4.3.8偏移
偏移应为实际和理想的第一次转换电平之间的差值（见图B.3）。偏移应以ADM测量单位表示，宜包括保证的校准时间间隔（见IEC60748-4：1997中2.2.5.2）。注：第一个转换电平为ADM输出从0变为1的转换电平4.3.9共模抑制比（CMRR）
共模抑制比应为在规定电路中，将规定的参考点和ADM输人端子连接在一起时，该参考点和ADM输入端子之间施加的电压与产生相同输出时ADM输入端子之间所需的电压之间的比率。注：共模抑制比宜以分贝表示，可取决于频率4.3.10输入阻抗
输入阻抗应为ADM的信号输人和信号共用线之间的阻抗。输入阻抗应在ADM通电、断电和隔离输人限制过载的情况下规定。4.3.11增益和偏移的温度漂移
增益的温度漂移应以每摄氏度满量程输入范围的百分数表示。偏移的温度漂移以每摄氏度的ADM测量单位表示。
4.3.12积分非线性（INL）
积分非线性（INL)应为偏移和不确定度的增益分量之间的差已被调整为零后，任何两个相邻步之间转换的实际模拟值与其理想值之间的差值。INL应描述实际值和模拟量的理想值之间的差值。INL以LSB表示。
4.3.13差分非线性（DNL）
差分非线性(DNL)应为实际步长与理想值的差值。DNL以LSB表示。4.3.14最大工作电压
最大工作电压应为正常使用中宜施加于ADM的最高电压。工作电压宜在安全裕度的击穿电压以下。最大工作电压应为实际信号电压和共模电压之和，以伏特表示。4.3.15噪声
噪声应为ADM输出信号（转换为输入单元)与ADM输入信号之间的偏差[不包括由线性时间不变系统响应（增益和相移）和直流电平偏移或采样率偏差引起的偏差，例如，噪声包括随机偏差、固定模式偏差、非线性，时基偏差（采样时间和孔径不确定度的固定偏差，也称为抖动)以及内部数字信号对模拟部分的不良渗透的影响。噪声以ADM测量单位表示。对于直流或极低频输入信号，用4.4.7测量方式描述系统噪声时，不包括非线性和时基偏差的影响。
SINAD和ENOB包括非线性和时基偏差的影响，4.3.16单通道测量的稳定时间
单通道测量的稳定时间应为ADM达到一定精度并保持在精度内的所需时间。稳定时间应以达到5
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给定精度范围所需的秒表示。ADM应在单通道上测量步进信号来确定单通道测量的稳定时间4.3.17通道切换误差
通道切换误差应为通道之间切换ADM引人的最大幅值偏差。通道切换误差以FSR的百分数表示。
4.3.18信纳比（SINAD）
对于纯正弦波输入，信纳比（SINAD)应为ADM输出信号在输入频率处的有效值幅值与ADM输出中所有其他信号的有效值幅值之比（见IEC60748-4-3：2006中3.4）。注：SINAD信息宜在输和采样频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.19串扰
串扰应为另一个信道上存在信号而导致的信道中不希望出现的能量，可由感应、传导或非线性等引起。串扰应为一个通道上输出的有效值与另一个通道上输入正弦波的有效值之比。串扰以dB表示。注：串扰信息宜在两个通道和输人频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.20模拟输入带宽
模拟输人带宽应为ADM在频率范围内传输信号而无显著衰减的能力测量。模拟输入带宽宜在信号幅值减小到低于通带频率3dB的较低和较高频率点之间测量。模拟输人带宽以Hz表示。4.3.21有效比特位数（ENOB）
有效比特位数（ENOB)应为内在噪声和非线性而导致ADM分辨力的实际极限。ENOB为ADM工作时的理想ADM的位数（见IEC60748-4-3：2006中3.6）。注：有效比特位数信息宜在输入和采样频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.22无杂散动态范围（SFDR）对于正弦波信号，无杂散动态范围（SFDR）应为输入频率达到最大持续值时，输出信号的有效值与其他单个频率输出信号的有效值之比。SFDR以dB表示。4.3.23总谐波失真（THD）
对于正弦波信号，总谐波失真（THD)应为所有谐波功率的和。THD以dBp表示。4.3.24信号与非谐波比（SNHR）信号与非谐波比（SNHR)应为所有谐波信号功率与总噪声的比值。SNHR以dB表示。注：4.3中输人值指电压信号
4.4可测量参数的测试方法
4.4.1测量编码转换电平
4.4.1.1总则
编码转换电平的测量可用于确定多个ADM参数，例如：ADM传递函数、不确定度的增益分量、偏移量、INL和DNL
ADM品质因数随输人和时钟频率变化。它们应以接近预期使用频率的频率表征。当ADM用于6
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测量时间变量时，宜进行动态表征。按IEC60748-4-3：2006中动态表征的测试方法，如果ADM用于测量缓慢变化的信号，则通过以下列出的静态测试对ADM进行表征是充分和可取的4.4.1.2静态测试（方法A）
测试中，为测试所有编码转换电平，ADM采用可变直流输入。可变直流输人是由可编程源产生的，其精度应至少比测量编码转换电平精度（P）高2倍。可编程源开始施加一个略低于ADM第一个转换电平（TL1I）期望值的输人电平，对M个样本进行记录，大于或等于编码1的样本数将被计数。如果计数值小于M/2，则输入电平增加2P，不断重复该过程，直到找到第一个转换电平（50%的样本数大于或等于输出编码1）。后续的编码转换电平通过向被试ADM施加连续输入电平进行确定。对于每个编码转换电平，大于编码k的编码百分比将被评价，如果编码百分比小于50%，则输入电平将被提高2P。当百分比大于50%时，该转换电平视作已通过。通过基于最后两个施加的输人电平的记录和百分比的线性插值来计算编码转换电平。用于确定转换电平T[k+的起始点是T[k]的转换电平测量码。由于噪声不可避免地存在，编码转换电平的位置是一个概率过程。测量结果应具有相关的标准偏差。选择更大的样本数记录长度（M)能减少结果的不确定度。表1给出了具有3α置信水平的结果精度，以噪声标准偏差的百分比表示（考虑零均值的高斯），并计算了多个记录长度。宜选择P=1/8LSB,可编程源的增量为1/4LSB。注意在本测量过程中，开始采集数据之前，应在输人源的变化之间至少等待其稳定时间。注意确保可编程源的输出阻抗和ADM的输人阻抗不会影响测量结果。表1针对不同记录长度的编码转换电平的估计精度样本记录长度
编码转换电平的估计精度
（噪声标准差的百分数表示）
采用该流程，编码转换检测之间的平均尝试次数约为Q/2P，其中Q是ADM的分辨力。由于要找到2n一1个编码转换电平，并且应在每个增量之后应采用M个样本，所以，如果对高分辨力转换器进行测试（n大）.并且/或者噪声有效值与量化步长相比较大（M大）就可能导致在测试期间的大量样本需求。
4.4.1.3静态测试（方法B）
采用在递增的直流偏移电平上叠加小幅值三角波，作为测试信号，并使用直方图程序2。通过逐步增加偏移电平（C，）来扫描输人范围（图1）。分别与转换器范围和转换速率相比，小振幅和小斜率产生准静态试验条件。
获取相同不确定度所需的样本数远低于静态测试（见4.4.1.2）。此外，校准器直流电平的变化数数量级减少。由于源稳定的总等待时间相应减少，测试持续时间将大幅减少。单个ADM测试时间能从几个小时缩短到几分钟。测试程序的复杂性将提高。通过方法B进行静态测试的伪代码和数值示例见附录A。bZxz.net
校准的线性信号（三角波）用于在ADM范围内实现均匀的激励条件。通过使用幅值远低于ADM满量程的单独信号，放宽了对三角波发生器线性失真的约束。通过在N，步内采用相同小幅值三角波，GB/T38888—2020
但偏移电平C=0.1，，N一1（见图1）不同的直方图样本，输人范围被完全激励测试流程如图2所示。首先.设置仪器。在每个N.步中，ADM获得幅值为A的小三角波的M个样本数的R个记录。为了让M个均匀分布的相位被采样，选择采样频率f和小波频率f。采样频率f和小波频率f之间的关系见式（1)：f=J·f/M
式中：
小波频率；
-M的互质整数；
采样频率；
样本数。
.（1)
J为M的互质整数。M和没有共同因子（最大公约数为1），且按照推荐频率，在一次记录中有J个循环。如果M是2的幕，则了的任何奇数值满足互质条件。为了偏移量C的值连续增加，数据采集被重复N，次，利用每步中获得的样本，计算累积直方图CH,[。通过对输出编码等于或小于编码k的样本数进行计数，获得累积直方图的第k类的值。连续累积直方图的示例在图3中针对5位ADM和具有4步的测试中给出。数值示例见附录A。输代码
说明：
具有转换电压的向量：
偏移量：
相同步的步数：
每步激励的范围；
小波幅值：
ADM的位数；
电压：
时间。
A.—2步
7[2-1]
图1应用于ADM的测试信号
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中华人民共和国国家标准
GB/T38888—2020
数据采集软件的性能及校准方法Performance and calibration methods for data acquisition software2020-06-02发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-12-01实施
1范围
规范性引用文件
3术语和定义、符号和缩略语·
3.1术语和定义
符号和缩略语
4测试软件的通用性能要求
测试程序和测量不确定度估计
ADM的通用要求.
参数的描述
可测量参数的测试方法
硬件功能校准
内建校准信息·
硬件调整的一般测量
自调节硬件
6软件校准方法：
总则·
校准应用程序编程接口（API)
自校准方法·
外部校准方法
校准程序
附录A（规范性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
通过方法B进行静态测试的伪代码和数值示例·ADM特征
模块化DAQ系统不确定度的计算示例GB/T38888—2020
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。GB/T38888—2020
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国机械工业联合会提出。本标准由全国电工仪器仪表标准化技术委员会（SAC/TC104）归口。本标准起草单位：哈尔滨电工仪表研究所有限公司、国网山东省电力公司电力科学研究院、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、丹东华通测控有限公司、厦门一希智能科技有限公司、国网四川省电力公司计量中心、云南电网有限责任公司计量中心、黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司、浙江晨泰科技股份有限公司、国网天津市电力公司电力科学研究院、深圳市江机实业有限公司、深圳市科陆电子科技股份有限公司、许继集团有限公司、深圳市星龙科技股份有限公司、华立科技股份有限公司、国网四川省电力公司电力科学研究院、国电南瑞科技股份有限公司、浙江万胜智能科技股份有限公司、杭州西力智能科技股份有限公司、西安久鑫长物联网科技有限公司。本标准主要起草人：姜滨、赵斌、陈闻新、王清、韩桂菊、周超、刘海波、林宏松、张翔、沈鑫、高榕徽郭闯、吕金、段锋、胡青波、王乙童、闫圭锋、黄建钟、曾仕途、赵智辉、王凯、李兆刚、李克、段春芳m
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全自动测量系统已广泛应用在制造业测试、研究及涉及测量的各个领域。测量自动化实现了广泛的数据共享、仪器间通信和远程测量控制。多功能数据采集设备（DAQ)则满足了这些测量需求。DAQ依靠标准的计算机技术，使得测量系统开发人员能够充分利用开放的计算机标准。DAQ进行的测量是准确并可溯源的。要保证测量完整性，不仅需要为测量硬件制定标准，而且还需要为校准硬件的软件制定标准。
iiKaeeiKAca
1范围
数据采集软件的性能及校准方法本标准规定了数据采集软件的性能特征及校准方法。本标准涵盖：
DAQ制造商提供描述DAQ的模数转换模块（ADM)性能的最小规范；一用来验证最小规范要求的标准试验策略；一存储在DAQ上的ADM所需的最低校准信息；DAQ的ADM的外部校准和自校准的最低校准软件要求。本标准适用于低频信号转换的DAQGB/T38888—2020
示例：应用在设备控制、振动测量、振动诊断、声学、超声波测量、温度测量、压力测量、电力电子测量等方面的低频信号转换。
规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T27025一2008检测和校准实验室能力的通用要求（ISO/IEC17025：2005，IDT）ISO/IECGUIDE98-3：2008测量不确定度第3部分：测量不确定度表示指南（Uncertaintyofmeasurement-Part 3:Guide to the expression of uncertainty in measurement)IEC60748-4：1997半导体器件集成电路第4部分：接口集成电路（SemiconductordevicesIntegrated circuitsPart 4:Interface integrated circuits)IEC60748-4-3：2006半导体器件集成电路第4-3部分：接口集成电路模拟/数字转换器（ADC)的动力学标准（Semiconductordevices—IntegratedcircuitsPart4-3：InterfaceintegratedcircuitsDynamic criteria for analogue-digital converters(ADC))3术语和定义、符号和缩略语
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1.1
analoguetodigitalmodule
模数转换模块
多功能数据采集设备的模拟输人。3.1.2
应用程序接口applicationprograminterfacel标准化的子程序或函数集合以及程序能调用的参数。用于数据采集设备的应用程序接口允许程序员用来交互和控制设备的操作。1
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编码转换电平codetransitionlevel在两个相邻输出编码之间转换点处的ADM的输入参数值。注：作为一个输入值的转换点，这一输入值会导致50%的输出编码小于转换的上层编码，50%大于或等于转换的上层编码。转换电平T[k位于编码k一1和编码k之间。3.1.4
数据采集设备dataacquisitiondevice用于输入或收集数据的设备。
注：多功能DAQ依靠个人电脑（商用PC、工业PC、紧凌型PCI、笔记本等）进行控制。这些设备的设计目的为满足测量系统的一般需求，而非用于特定类型的测量。DAQ通常提供多种测量模式，如模拟输人、模拟输出、数字输入、数字输出和计时器功能。本标准仅涉及DAQ的ADM。3.1.5
midstep value
台阶中心值
步中心的模拟值。
注：不包括模拟值总范围两端的步。对于步的末端，步中心值为当相邻步转换的模拟值被适当地减小或放大步长的标称值一半时产生的模拟值。3.1.6
标称台阶中心值
nominalmidstepvalue
由相应的数字输出编码理想地表示并摒除错误的步内的规定模拟值。3.1.7
额定工作条件
rated operating conditions
在测量期间应满足的一组条件，以确定测量不确定度参数的有效性。3.1.8
步step
模拟输入值的小数范围和相应的数字输出值3.1.9
stepwidth
对应一步的模拟值范围两端之间差值的绝对值。3.2
符号和缩略语
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
ADM：模数转换模块（analoguetodigitalmodule）API：应用程序接口（applicationprograminterface）CMRR：共模抑制比（commonmoderejectionratio)DAQ：数据采集设备（cataacquisitiondevice）DIFF：差分（differential)
DNL：差分非线性（differentialnon-linearity）ENOB：有效比特位数（effectivenumberofbits）FS：满量程（fullscale）
INL：积分非线性（integralnon-linearity）LSB：最低有效位（leastsignificantbit）NRSE：非参考单端（non-referencedsingleended）2
PC：个人电脑（personalcomputer）RSE：参考单端（referencedsingleended)SFDR：无杂散动态范围（spuriousfreedynamicrange）SINAD：信纳比（signaltonoiseanddistortion)3.2.2符号
下列符号适用于本文件。
VFs：满量程电压。
Vesiom：标称满刻度电压范围。VrsR：实际满量程电压范围。
Vz：零点电压。
Vs：零刻度电压。
测试软件的通用性能要求
测试程序和测量不确定度估计
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提出的一组通用规范，针对不同制造商生产的ADM，可用于比较两个DAQ的ADM。包含一组可以并行比较ADM功能的核心信息。DAQ应满足它们发布的规范。如果需要验证这此规范，可通过测试ADM的步骤来确认DAQ的规范。
DAQ的ADM的测量不确定度应符合4.2的规定4.2
ADM的通用要求
描述ADM的最小子集基本参数应包括：通道数量；
输入类型；
满量程输人范围；
过电压保护：
分辨力；
采样率；
输入阻抗；
最大工作电压；
额定工作条件
可测量的参数应按照以下内容被测试：不确定度的增益分量；
偏移；
共模抑制比；
增益和偏移的温度漂移；
积分非线性；
差分非线性；
噪声；
稳定时间；
通道切换误差；
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一串扰；
模拟输入带宽
注：本标准不包含中高频部分。中高频的技术要求按IEC60748-4-3：2006处理。在输人为正弦波信号时，还应测试以下参数：信纳比（SINAD)；
有效比特位数（ENOB)；
无杂散动态范围（SFDR）；
总谐波失真（THD)；
信号与非谐波比（SNHR）。
4.3参数的描述
通道数量
通道数量应为ADM支持的能同时或顺序采样的输人信号数。4.3.2输入类型
输入类型为输人信号如何能被连接到ADM。可能的模式包括：参考单端（RSE）。在RSE连接中，DAQ的模拟输人信号应参考于一个可被其他输人信号共享的共同接地。
非参考单端（NRSE）。在NRSE连接中，DAQ的模拟输入信号应参考于信号局部接地。局部接地应与测量系统的模拟接地不同。差分（DIFF）。在差分连接中，DAQ的模拟输人信号应具有自已的参考信号或信号返回路径带差动输人的ADM可将输入阻抗指定为ADM的正输人和负输人之间的阻抗。带差动输人的ADM还可将输人阻抗指定为正输人和地之间或负输人和地之间的阻抗。4.3.3满量程输入范围
满量程输人范围（VFSnom）应为通过总步数以恒定的精度进行编码的模拟值的总范围。满量程输人范围应用伏特表示（见IEC60748-4：1997中2.1.18）。4.3.4过电压保护
过电压保护应对ADM输人电路保护，以防潜在的损坏电压。DAQ在上电和关机状态时应显示过电压保护。过电压保护应以伏特表示4.3.5分辨力
分辨力应为模拟输人量等效值能被辨别的程度（见IEC60748-4：1997中2.2.1)。数字分辨力用于表示总步数所需的位数（n）（见IEC60748-4：1997中2.2.2）。模拟分辨力（Q）为步长的标称值（见IEC60748-4：1997中2.2.3）。4.3.6采样率
采样率应为每单位时间的转换次数。采样率宜以每秒采样数表示。4.3.7不确定度的增益分量
不确定度的增益分量应为偏移量调整为零后，转换图中指定增益点处的实际电压和理想转换电压4
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之间的差值。不确定度的增益分量应以满量程输人范围的百分数表示，并应包括所需的校准时间间隔（见IEC60748-4:1997中2.2.5.3)。4.3.8偏移
偏移应为实际和理想的第一次转换电平之间的差值（见图B.3）。偏移应以ADM测量单位表示，宜包括保证的校准时间间隔（见IEC60748-4：1997中2.2.5.2）。注：第一个转换电平为ADM输出从0变为1的转换电平4.3.9共模抑制比（CMRR）
共模抑制比应为在规定电路中，将规定的参考点和ADM输人端子连接在一起时，该参考点和ADM输入端子之间施加的电压与产生相同输出时ADM输入端子之间所需的电压之间的比率。注：共模抑制比宜以分贝表示，可取决于频率4.3.10输入阻抗
输入阻抗应为ADM的信号输人和信号共用线之间的阻抗。输入阻抗应在ADM通电、断电和隔离输人限制过载的情况下规定。4.3.11增益和偏移的温度漂移
增益的温度漂移应以每摄氏度满量程输入范围的百分数表示。偏移的温度漂移以每摄氏度的ADM测量单位表示。
4.3.12积分非线性（INL）
积分非线性（INL)应为偏移和不确定度的增益分量之间的差已被调整为零后，任何两个相邻步之间转换的实际模拟值与其理想值之间的差值。INL应描述实际值和模拟量的理想值之间的差值。INL以LSB表示。
4.3.13差分非线性（DNL）
差分非线性(DNL)应为实际步长与理想值的差值。DNL以LSB表示。4.3.14最大工作电压
最大工作电压应为正常使用中宜施加于ADM的最高电压。工作电压宜在安全裕度的击穿电压以下。最大工作电压应为实际信号电压和共模电压之和，以伏特表示。4.3.15噪声
噪声应为ADM输出信号（转换为输入单元)与ADM输入信号之间的偏差[不包括由线性时间不变系统响应（增益和相移）和直流电平偏移或采样率偏差引起的偏差，例如，噪声包括随机偏差、固定模式偏差、非线性，时基偏差（采样时间和孔径不确定度的固定偏差，也称为抖动)以及内部数字信号对模拟部分的不良渗透的影响。噪声以ADM测量单位表示。对于直流或极低频输入信号，用4.4.7测量方式描述系统噪声时，不包括非线性和时基偏差的影响。
SINAD和ENOB包括非线性和时基偏差的影响，4.3.16单通道测量的稳定时间
单通道测量的稳定时间应为ADM达到一定精度并保持在精度内的所需时间。稳定时间应以达到5
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给定精度范围所需的秒表示。ADM应在单通道上测量步进信号来确定单通道测量的稳定时间4.3.17通道切换误差
通道切换误差应为通道之间切换ADM引人的最大幅值偏差。通道切换误差以FSR的百分数表示。
4.3.18信纳比（SINAD）
对于纯正弦波输入，信纳比（SINAD)应为ADM输出信号在输入频率处的有效值幅值与ADM输出中所有其他信号的有效值幅值之比（见IEC60748-4-3：2006中3.4）。注：SINAD信息宜在输和采样频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.19串扰
串扰应为另一个信道上存在信号而导致的信道中不希望出现的能量，可由感应、传导或非线性等引起。串扰应为一个通道上输出的有效值与另一个通道上输入正弦波的有效值之比。串扰以dB表示。注：串扰信息宜在两个通道和输人频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.20模拟输入带宽
模拟输人带宽应为ADM在频率范围内传输信号而无显著衰减的能力测量。模拟输入带宽宜在信号幅值减小到低于通带频率3dB的较低和较高频率点之间测量。模拟输人带宽以Hz表示。4.3.21有效比特位数（ENOB）
有效比特位数（ENOB)应为内在噪声和非线性而导致ADM分辨力的实际极限。ENOB为ADM工作时的理想ADM的位数（见IEC60748-4-3：2006中3.6）。注：有效比特位数信息宜在输入和采样频率范围内以一系列增益的形式提供。4.3.22无杂散动态范围（SFDR）对于正弦波信号，无杂散动态范围（SFDR）应为输入频率达到最大持续值时，输出信号的有效值与其他单个频率输出信号的有效值之比。SFDR以dB表示。4.3.23总谐波失真（THD）
对于正弦波信号，总谐波失真（THD)应为所有谐波功率的和。THD以dBp表示。4.3.24信号与非谐波比（SNHR）信号与非谐波比（SNHR)应为所有谐波信号功率与总噪声的比值。SNHR以dB表示。注：4.3中输人值指电压信号
4.4可测量参数的测试方法
4.4.1测量编码转换电平
4.4.1.1总则
编码转换电平的测量可用于确定多个ADM参数，例如：ADM传递函数、不确定度的增益分量、偏移量、INL和DNL
ADM品质因数随输人和时钟频率变化。它们应以接近预期使用频率的频率表征。当ADM用于6
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测量时间变量时，宜进行动态表征。按IEC60748-4-3：2006中动态表征的测试方法，如果ADM用于测量缓慢变化的信号，则通过以下列出的静态测试对ADM进行表征是充分和可取的4.4.1.2静态测试（方法A）
测试中，为测试所有编码转换电平，ADM采用可变直流输入。可变直流输人是由可编程源产生的，其精度应至少比测量编码转换电平精度（P）高2倍。可编程源开始施加一个略低于ADM第一个转换电平（TL1I）期望值的输人电平，对M个样本进行记录，大于或等于编码1的样本数将被计数。如果计数值小于M/2，则输入电平增加2P，不断重复该过程，直到找到第一个转换电平（50%的样本数大于或等于输出编码1）。后续的编码转换电平通过向被试ADM施加连续输入电平进行确定。对于每个编码转换电平，大于编码k的编码百分比将被评价，如果编码百分比小于50%，则输入电平将被提高2P。当百分比大于50%时，该转换电平视作已通过。通过基于最后两个施加的输人电平的记录和百分比的线性插值来计算编码转换电平。用于确定转换电平T[k+的起始点是T[k]的转换电平测量码。由于噪声不可避免地存在，编码转换电平的位置是一个概率过程。测量结果应具有相关的标准偏差。选择更大的样本数记录长度（M)能减少结果的不确定度。表1给出了具有3α置信水平的结果精度，以噪声标准偏差的百分比表示（考虑零均值的高斯），并计算了多个记录长度。宜选择P=1/8LSB,可编程源的增量为1/4LSB。注意在本测量过程中，开始采集数据之前，应在输人源的变化之间至少等待其稳定时间。注意确保可编程源的输出阻抗和ADM的输人阻抗不会影响测量结果。表1针对不同记录长度的编码转换电平的估计精度样本记录长度
编码转换电平的估计精度
（噪声标准差的百分数表示）
采用该流程，编码转换检测之间的平均尝试次数约为Q/2P，其中Q是ADM的分辨力。由于要找到2n一1个编码转换电平，并且应在每个增量之后应采用M个样本，所以，如果对高分辨力转换器进行测试（n大）.并且/或者噪声有效值与量化步长相比较大（M大）就可能导致在测试期间的大量样本需求。
4.4.1.3静态测试（方法B）
采用在递增的直流偏移电平上叠加小幅值三角波，作为测试信号，并使用直方图程序2。通过逐步增加偏移电平（C，）来扫描输人范围（图1）。分别与转换器范围和转换速率相比，小振幅和小斜率产生准静态试验条件。
获取相同不确定度所需的样本数远低于静态测试（见4.4.1.2）。此外，校准器直流电平的变化数数量级减少。由于源稳定的总等待时间相应减少，测试持续时间将大幅减少。单个ADM测试时间能从几个小时缩短到几分钟。测试程序的复杂性将提高。通过方法B进行静态测试的伪代码和数值示例见附录A。bZxz.net
校准的线性信号（三角波）用于在ADM范围内实现均匀的激励条件。通过使用幅值远低于ADM满量程的单独信号，放宽了对三角波发生器线性失真的约束。通过在N，步内采用相同小幅值三角波，GB/T38888—2020
但偏移电平C=0.1，，N一1（见图1）不同的直方图样本，输人范围被完全激励测试流程如图2所示。首先.设置仪器。在每个N.步中，ADM获得幅值为A的小三角波的M个样本数的R个记录。为了让M个均匀分布的相位被采样，选择采样频率f和小波频率f。采样频率f和小波频率f之间的关系见式（1)：f=J·f/M
式中：
小波频率；
-M的互质整数；
采样频率；
样本数。
.（1)
J为M的互质整数。M和没有共同因子（最大公约数为1），且按照推荐频率，在一次记录中有J个循环。如果M是2的幕，则了的任何奇数值满足互质条件。为了偏移量C的值连续增加，数据采集被重复N，次，利用每步中获得的样本，计算累积直方图CH,[。通过对输出编码等于或小于编码k的样本数进行计数，获得累积直方图的第k类的值。连续累积直方图的示例在图3中针对5位ADM和具有4步的测试中给出。数值示例见附录A。输代码
说明：
具有转换电压的向量：
偏移量：
相同步的步数：
每步激励的范围；
小波幅值：
ADM的位数；
电压：
时间。
A.—2步
7[2-1]
图1应用于ADM的测试信号
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