為您的測量選擇合適的數(shù)據(jù)采集硬件

　　面對市場上眾多的數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，如何為您的應(yīng)用選擇最合適的一款?本白皮書概述了在為測量應(yīng)用選擇數(shù)據(jù)采集硬件時(shí)所需要考慮的5個(gè)問題。

　　1. 需要測量或者生成的信號(hào)是什么類型?

　　對于不同類型的信號(hào)需要使用不同的測量或生成方式。傳感器能夠?qū)⑽锢憩F(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可測量的電信號(hào)，如電壓或電流。同樣，您可以生成一個(gè)可測量的電信號(hào)給傳感器，從而產(chǎn)生一個(gè)物理現(xiàn)象。因此，了解不同類型的信號(hào)和相應(yīng)的屬性非常重要。只有了解了您的具體應(yīng)用中的信號(hào)類型，才能夠著手選擇DAQ設(shè)備。

　　DAQ設(shè)備的功能

　　模擬輸入，用于測量模擬信號(hào)

　　模擬輸出，用于輸出模擬信號(hào)

　　數(shù)字輸入/輸出，用于測量和生成數(shù)字信號(hào)

　　計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用于對數(shù)字事件進(jìn)行計(jì)數(shù)或產(chǎn)生數(shù)字脈沖/信號(hào)

　　有些DAQ設(shè)備僅擁有上述功能中的一種，而多功能DAQ設(shè)備則可以實(shí)現(xiàn)所有上述功能。一般來講，DAQ設(shè)備通常對于某一功能只提供固定數(shù)量的通道，比如模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出以及計(jì)數(shù)器等;因此，在考慮購買設(shè)備時(shí)，您需要在當(dāng)前所需的通道數(shù)的基礎(chǔ)上再預(yù)留一些，這樣您可在必要時(shí)進(jìn)行更多通道的數(shù)據(jù)采集。而如果您所購買的設(shè)備的通道數(shù)僅夠滿足當(dāng)前需要，則可能在未來新測量應(yīng)用面前捉襟見肘。

　　多功能DAQ設(shè)備同樣也僅有固定數(shù)量的通道，但是其功能涵蓋模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出和計(jì)數(shù)器。多功能DAQ設(shè)備可以支持不同類型的I/O，以適應(yīng)多種應(yīng)用的需要，這是單一功能的DAQ設(shè)備所不具備的。

　　您還可以選擇一種模塊化的平臺(tái)，自定義您的具體要求。模塊化系統(tǒng)通常包括一個(gè)機(jī)箱，用于控制定時(shí)和同步信號(hào)，并控制各種I/O模塊。模塊化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，您可以選擇不同的模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的功能，從而可以實(shí)現(xiàn)更靈活的配置方式。使用這種方式所構(gòu)建的系統(tǒng)，其中某個(gè)單一功能模塊的精度可以相對于多功能DAQ模塊更高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，您可以根據(jù)需要選擇插槽數(shù)量合適的機(jī)箱。一個(gè)機(jī)箱的插槽數(shù)量是固定的，因此您在購買機(jī)箱時(shí)，可以在當(dāng)前所需插槽數(shù)的基礎(chǔ)上再預(yù)留一些，以備未來擴(kuò)展。

　　2. 需要信號(hào)調(diào)理嗎?

　　一個(gè)典型的通用DAQ設(shè)備可以測量或生成+/-5V或+/-10V的信號(hào)。而對于某些傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)，若直接使用DAQ設(shè)備進(jìn)行測量或生成，則可能比較困難或會(huì)有危險(xiǎn)。因此，大多數(shù)傳感器需要對信號(hào)進(jìn)行諸如放大或?yàn)V波之類的調(diào)理措施，才能使得DAQ設(shè)備有效、準(zhǔn)確地測量信號(hào)。

　　例如，熱電偶的輸出信號(hào)通常需要放大，才能夠使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量程得到充分利用。此外，熱電偶所測得的信號(hào)還可以通過低通濾波消除高頻噪聲，從而改善信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)調(diào)理所帶來的好處是單純的DAQ系統(tǒng)無法比擬的，它提高了DAQ系統(tǒng)本身的性能和測量精度。

　　表1總結(jié)了針對不同類型的傳感器和測量應(yīng)用所需的常見信號(hào)調(diào)理措施。

　　表1. 針對各種傳感器和測量應(yīng)用的信號(hào)調(diào)理措施

　　如果您所使用的傳感器已在表1中列出，那么您應(yīng)該考慮使用相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理措施。您可以選擇添加外部信號(hào)調(diào)理措施，或選擇使用具有內(nèi)置信號(hào)調(diào)理功能的DAQ設(shè)備。許多DAQ設(shè)備還包括針對某些特定的傳感器的內(nèi)置接口，以方便傳感器的集成。

3. 需要以多快的速度采集或生成信號(hào)?

　　對于DAQ設(shè)備來說，最重要的參數(shù)指標(biāo)之一就是采樣率，即DAQ設(shè)備的ADC采樣速率。典型的采樣率(無論硬件定時(shí)或軟件定時(shí))可達(dá)2MS/S。在決定設(shè)備的采樣率時(shí)，您需要考慮應(yīng)用中所需采集或生產(chǎn)信號(hào)的最高頻率成分。

　　Nyquist定理指出，只要將采樣率設(shè)定為信號(hào)中所感興趣的最高頻率分量的2倍，您就可以準(zhǔn)確地重建信號(hào)。然而，在實(shí)踐中您至少應(yīng)以最高頻率分量的10倍作為采樣頻率才能正確地表示原信號(hào)。選擇一個(gè)采樣率至少是信號(hào)最高頻率分量10倍的DAQ設(shè)備，您就可以確保能夠精確地測量或者生成信號(hào)。

　　例如，假設(shè)您的應(yīng)用程序要測量的正弦波頻率為1kHz。根據(jù)Nyquist定理，您至少需要以2kHz進(jìn)行信號(hào)采集。然而，我們強(qiáng)烈建議您使用10kHz的采樣頻率，從而更加精確地測量或生成信號(hào)。圖1所示，是對一個(gè)頻率為1kHz的正弦波分別以2kHz和10kHz采樣率采樣時(shí)的結(jié)果比較。

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　　圖1. 對1kHz的正弦波分別以2kHz和10kHz采樣率采樣時(shí)的結(jié)果比較

　　一旦您確定了您所要測量或生成的信號(hào)的最高頻率分量，您就可以選擇一個(gè)具有合適的采樣率的DAQ設(shè)備。

　　4. 需要識(shí)別到信號(hào)中的最小變化是多少?

　　信號(hào)中可識(shí)別的最小變化，決定了DAQ設(shè)備所需的分辨率。分辨率是指ADC可以用來表示一個(gè)信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。為了說明這一點(diǎn)，試想一個(gè)正弦波通過不同的分辨率的ADC進(jìn)行采集后所表示的效果會(huì)有何不同。圖2比較了3位和16位ADC。一個(gè)3位ADC可以表示8(23)個(gè)離散的電壓值，而一個(gè)16位ADC可以表示65536(216)個(gè)離散的電壓值。對于一個(gè)正弦波來說，使用3位分辨率所表示的波形看起來更像一個(gè)階梯波，而16位ADC所表示的波形則更像一個(gè)正弦波。

　　圖2. 使用16位分辨率與3位分辨率來表示一個(gè)正弦波

　　典型的DAQ設(shè)備的電壓范圍為+/-5V或+/-10V。在此范圍內(nèi)，電壓值將均勻分布，從而充分地利用ADC的分辨率。例如，一個(gè)具有+/-10V電壓范圍和12位分辨率(212 或4096個(gè)均勻分布的電壓值)的DAQ設(shè)備，可以識(shí)別5mV的電壓變化;而一個(gè)具有16位分辨率(216 或 65536個(gè)均勻分布的電壓值)的DAQ設(shè)備則可以識(shí)別到300μV的變化。大多數(shù)應(yīng)用都可以使用具有12、16或18位分辨率ADC的設(shè)備解決問題。然而，如果您測量的傳感器的電壓有大有小，則您需要使用具有24位分辨率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。電壓范圍和分辨率是選擇合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)所需考慮的重要因素。

5. 測量應(yīng)用能夠允許多大的誤差?

　　精度是衡量一個(gè)儀器能否忠實(shí)地表示待測信號(hào)的性能指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)與分辨率無關(guān);然而精度大小卻又絕不會(huì)超過其自身的分辨率大小。確定測量的精度的方式，取決于測量裝置的類型。一個(gè)理想的儀器總是能夠百分之百地測得真實(shí)的值;然而在現(xiàn)實(shí)中，儀器所給出的值是帶有一定的不確定度的，不確定度的大小由儀器的制造商給出，取決于許多因素，如：系統(tǒng)噪聲、增益誤差、偏移誤差、非線性，等等。制造商通常使用的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)是絕對精度，它表征DAQ設(shè)備在一個(gè)特定的范圍內(nèi)所能給出的最大的誤差。例如，對于National Instruments公司的一個(gè)設(shè)備計(jì)算絕對精度的方法如下所示：

　　絕對精度=([讀值*增益誤差]+[電壓范圍*偏移誤差]+噪聲不確定度)

　　絕對精度=2.2 mV

　　值得注意的是，一個(gè)儀器的精度不僅取決于儀器本身，還取決于被測信號(hào)的類型。如果被測信號(hào)的噪聲很大，則會(huì)對測量的精度產(chǎn)生不利的影響。市面上的DAQ設(shè)備種類繁多，精度和價(jià)格各異。有些設(shè)備可提供自校準(zhǔn)、隔離等電路來提高精度。一個(gè)普通的DAQ設(shè)備所達(dá)到的絕對精度可能超過100mV，而更高性能的設(shè)備的絕對精度甚至可能達(dá)到約1mV。一旦您確定了應(yīng)用中所需的精度要求，你就可以選擇一個(gè)具有合適絕對精度的DAQ設(shè)備。