數據采集(DAQ)基礎知識

　　為了適合數據采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過(guò)處理。為了更精確地測量信號，信號調理配件能放大低電壓信號，并對信號進(jìn)行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來(lái)生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調理配件的典型數據采集系統。

　　圖2 用于插入式數據采集設備的SCXI信號調理的前端系統

　　信號調理配件可用于各種重要的應用

　　放大功能——放大是最為普遍的信號調理功能。例如，需要對熱電偶的信號進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對 信號放大以使調理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號調理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的SCXI機箱內 對低電壓信號進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數的影響。

　　隔離功能——另一種常見(jiàn)的信號調理應用是為了安全目的把傳感器的信號和計算機相隔離。被監測的系統可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信 號調理， 這種高壓會(huì )對計算機造成損害。 使用隔離的另一原因是為了確保插入式數據采集設備的讀數不會(huì )受到接地電勢差或共模電壓的影響。當數據采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考“地線(xiàn)”， 而一旦這兩個(gè)參考地線(xiàn)有電勢差，就會(huì )帶來(lái)麻煩。這種電勢差會(huì )產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數不準確;或者如果電勢差太大，它也會(huì )對測量系 統造成損害。使用隔離式信號調理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達450 Vrms電壓隔離。

　　多路復用功能——多路復用是使用單個(gè)測量設備來(lái)測量多個(gè)信號的常用技術(shù)。模擬信號的信號調理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多 路復用方式。ADC采集一個(gè)通道后，轉換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉換到下一個(gè)通道，如此往復。由于同一個(gè)ADC可以采集多個(gè)通道而不是一個(gè)通道， 每個(gè)通道的有效采樣速率和所采樣的通道數呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個(gè)，那么每個(gè)通道的有效采集速率大約為：

　　由于模擬信號的模擬SCXI模塊采用多路復用技術(shù)，一個(gè)數據采集設備可以測量多達3,072個(gè)信號。

　　使用AMUX-64T模擬多路復用器，您可以使用一個(gè)設備來(lái)測量256個(gè)信號。所有內置有多路復用器的數據采集設備也具備這一特性。

　　濾波功能——濾波器的功能是指在您所測量的信號中濾除不需要的信號。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號。例如，許多SCXI模塊在使用數據采集設備對信號數字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來(lái)濾除噪聲。

　　如振動(dòng)這樣的交流信號常常需要另一種被稱(chēng)為抗混疊的濾波器。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器;然而，它需要有非常陡的截止速率，從而 可以濾除信號中所有高于設備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒(méi)有被濾除，它們將會(huì )作為信號錯誤地出現在設備輸入帶寬中。專(zhuān)為測量交流信號而設計的設備—— NI 455x、NI 445x和NI 447x動(dòng)態(tài)信號采集(DSA)設備，NI6115同步采樣多功能I/O設備，SCXI-1141模塊都有內置的抗混頻濾波器。

　　激勵功能——對于某些傳感器信號調理也能提供激勵源。例如，應力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。用于這些傳感 器的信號調理模塊常用來(lái)提供激勵信號。RTD測量常使用電流源來(lái)把電阻上的變化量轉化為可測量電壓。應力計是阻值非常低的電阻設備，常用于配有電壓激勵源 的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵源，可配置為電流或電壓激勵，從而可用于壓力計、熱敏電阻器或RTD。

　　線(xiàn)性化功能——另一種常見(jiàn)的信號調理功能是線(xiàn)性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對被測量的物理量的響應是非線(xiàn)性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應用軟件包包含了應用于熱電偶、壓力計和RTD的線(xiàn)性化功能。

　　您需要了解您的信號的特性，用于測量信號的配置以及系統周?chē)h(huán)境的影響。根據這些信息，您才可以確定您的DAQ系統是否需要使用信號調理。