數據采集(DAQ)基礎知識

　　數據采集硬件

　　模擬輸入

　　模擬輸入的基本考慮-在模擬輸入的技術(shù)說(shuō)明中將給出關(guān)于數據采集產(chǎn)品的精度和功能的信息?；炯夹g(shù)說(shuō)明適用于大部分數據采集產(chǎn)品，包括通道數目、采樣速率、分辨率和輸入范圍等方面的信息。

　　通道數-對于采用單端和差分兩種輸入方式的設備，模擬輸入通道數可以分為單端輸入通道數和差分輸入通道數。在單端輸入中，輸入信號均 以共同的地線(xiàn)為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高(高于1 V)，信號源到模擬輸入硬件的導線(xiàn)較短(低于15 ft)，且所有的輸入信號共用一個(gè)基準地線(xiàn)。如果信號達不到這些標準，此時(shí)應該用差分輸入。對于差分輸入，每一個(gè)輸入信號都有自有的基準地線(xiàn);由于共模噪 聲可以被導線(xiàn)所消除，從而減小了噪聲誤差。

　　采樣速率-這一參數決定了每秒種進(jìn)行模數轉換的次數。一個(gè)高采樣速率可以在給定時(shí)間下采集更多數據，因此能更好地反映原始信號。

　　多路復用-多路復用是使用單個(gè)模數轉換器來(lái)測量多個(gè)信號的一種常用技術(shù)。要了解更多關(guān)于多路復用的信息，請參看此文的“信號調理”章節。

　　分辨率-模數轉換器用來(lái)表示模擬信號的位數即是分辨率。分辨率越高，信號范圍被分割成的區間數目越多，因此，能探測到的電壓變量就越 小。圖3顯示了一個(gè)正弦波和使用一個(gè)理想的3位模數轉換器所獲得相應數字圖像。一個(gè)3位變換器(此器件在實(shí)際中很少用到，在此處是為了便于說(shuō)明)可以把模 擬范圍分為23，或8個(gè)區間。

　　每一個(gè)區間都由在000至111內的一個(gè)二進(jìn)制碼來(lái)表示。很明顯，用數字來(lái)表示原始模擬信號并不是一種很好的方法，這是由于在轉換過(guò)程中會(huì )丟失信 息。然而，當分辨率增加至16位時(shí)，模數轉換器的編碼數目從8增長(cháng)至65,536，由此可見(jiàn)，在恰當地設計模擬輸入電路其它部分的情況下，您可以對模擬信 號進(jìn)行非常準確的數字化。

　　圖3 . 三位分辨率下正弦波的數字化

　　量程-量程是模數轉換器可以量化的最小和最大電壓值。NI公司的多功能數據采集設備能對量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)行配置。由于具有這種靈活性，您可以使信號的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測量的分辨率。

　　編碼寬度-數據采集設備上可用的量程、分辨率和增益決定了最小可探測的電壓變化。此電壓變化代表了數字值上的最低有效位 1(LSB)，也常被稱(chēng)為編碼寬度。理想的編碼寬度為電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積。例如，NI的一種16位多功能數據采集設備——NI 6030E，，它可供選擇的范圍為0～10V或-10～10V;可供選擇的增益：1，2，5，10，20，50或100。當電壓范圍為0～10V，增益為 100時(shí)，理想的編碼寬度由以下公式?jīng)Q定：

　　模擬輸入的重要因素-盡管前面所提到的數據采集設備具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采樣率這樣的基本指標，但是您可能無(wú)法在16個(gè)通道上進(jìn)行全速采樣，或者得不到滿(mǎn)16位的精度。例如，目前市場(chǎng)上的某些帶有16位ADC的產(chǎn)品所 得到的有效數據要低于12位。為了確定您所要用的設備是否能滿(mǎn)足您所期待的結果，請仔細審查那些超出產(chǎn)品分辨率的技術(shù)指標。

　　評估數據采集產(chǎn)品時(shí)，還需要考慮微分非線(xiàn)性度(DNL)、相對精度、儀用放大器的穩定時(shí)間和噪聲等。

　　微分非線(xiàn)性度(DNL)——在理想情況下，當您提高一個(gè)數據采集設備上的電壓值時(shí)，模數轉換器上的數字編碼也應該線(xiàn)性增加。如果您對 一個(gè)理想的模數轉換器測定電壓值與輸出碼的關(guān)系，繪出的線(xiàn)應是一條直線(xiàn)。這條理想直線(xiàn)的離差被定義為非線(xiàn)性度。DNL是指以L(fǎng)SB為測量單位，和1LSB 理想值的最大離差。一個(gè)理想的數據采集設備的DNL值為0，一個(gè)好的數據采集設備的DNL值應在±0.5 LSB以?xún)取?/p>

　　對于一個(gè)編碼應該有多寬，我們沒(méi)有更多的限制。編碼不會(huì )比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一個(gè)性能較差的數據采集設備可能有一個(gè)等于或非常接近零的編碼寬度，這意味著(zhù)會(huì )有一個(gè)丟失碼。對一個(gè)有丟 失碼的數據采集設備無(wú)論輸入什么電壓，設備都無(wú)法將此電壓量化為丟失碼