為您的測量選擇合適的數據采集硬件

　　面對市場(chǎng)上眾多的數據采集(DAQ)設備，如何為您的應用選擇最合適的一款?本白皮書(shū)概述了在為測量應用選擇數據采集硬件時(shí)所需要考慮的5個(gè)問(wèn)題。

　　1. 需要測量或者生成的信號是什么類(lèi)型?

　　對于不同類(lèi)型的信號需要使用不同的測量或生成方式。傳感器能夠將物理現象轉化為可測量的電信號，如電壓或電流。同樣，您可以生成一個(gè)可測量的電信號給傳感器，從而產(chǎn)生一個(gè)物理現象。因此，了解不同類(lèi)型的信號和相應的屬性非常重要。只有了解了您的具體應用中的信號類(lèi)型，才能夠著(zhù)手選擇DAQ設備。

　　DAQ設備的功能

　　模擬輸入，用于測量模擬信號

　　模擬輸出，用于輸出模擬信號

　　數字輸入/輸出，用于測量和生成數字信號

　　計數器/定時(shí)器，用于對數字事件進(jìn)行計數或產(chǎn)生數字脈沖/信號

　　有些DAQ設備僅擁有上述功能中的一種，而多功能DAQ設備則可以實(shí)現所有上述功能。一般來(lái)講，DAQ設備通常對于某一功能只提供固定數量的通道，比如模擬輸入、模擬輸出、數字輸入/輸出以及計數器等;因此，在考慮購買(mǎi)設備時(shí)，您需要在當前所需的通道數的基礎上再預留一些，這樣您可在必要時(shí)進(jìn)行更多通道的數據采集。而如果您所購買(mǎi)的設備的通道數僅夠滿(mǎn)足當前需要，則可能在未來(lái)新測量應用面前捉襟見(jiàn)肘。

　　多功能DAQ設備同樣也僅有固定數量的通道，但是其功能涵蓋模擬輸入、模擬輸出、數字輸入/輸出和計數器。多功能DAQ設備可以支持不同類(lèi)型的I/O，以適應多種應用的需要，這是單一功能的DAQ設備所不具備的。

　　您還可以選擇一種模塊化的平臺，自定義您的具體要求。模塊化系統通常包括一個(gè)機箱，用于控制定時(shí)和同步信號，并控制各種I/O模塊。模塊化系統的優(yōu)點(diǎn)是，您可以選擇不同的模塊，每個(gè)模塊實(shí)現其獨特的功能，從而可以實(shí)現更靈活的配置方式。使用這種方式所構建的系統，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，您可以根據需要選擇插槽數量合適的機箱。一個(gè)機箱的插槽數量是固定的，因此您在購買(mǎi)機箱時(shí)，可以在當前所需插槽數的基礎上再預留一些，以備未來(lái)擴展。

　　2. 需要信號調理嗎?

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

　　例如，熱電偶的輸出信號通常需要放大，才能夠使得模數轉換器(ADC)的量程得到充分利用。此外，熱電偶所測得的信號還可以通過(guò)低通濾波消除高頻噪聲，從而改善信號質(zhì)量。信號調理所帶來(lái)的好處是單純的DAQ系統無(wú)法比擬的，它提高了DAQ系統本身的性能和測量精度。

　　表1總結了針對不同類(lèi)型的傳感器和測量應用所需的常見(jiàn)信號調理措施。

　　表1. 針對各種傳感器和測量應用的信號調理措施

　　如果您所使用的傳感器已在表1中列出，那么您應該考慮使用相應的信號調理措施。您可以選擇添加外部信號調理措施，或選擇使用具有內置信號調理功能的DAQ設備。許多DAQ設備還包括針對某些特定的傳感器的內置接口，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?

　　對于DAQ設備來(lái)說(shuō)，最重要的參數指標之一就是采樣率，即DAQ設備的ADC采樣速率。典型的采樣率(無(wú)論硬件定時(shí)或軟件定時(shí))可達2MS/S。在決定設備的采樣率時(shí)，您需要考慮應用中所需采集或生產(chǎn)信號的最高頻率成分。

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

　　例如，假設您的應用程序要測量的正弦波頻率為1kHz。根據Nyquist定理，您至少需要以2kHz進(jìn)行信號采集。然而，我們強烈建議您使用10kHz的采樣頻率，從而更加精確地測量或生成信號。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)的結果比較

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

　　4. 需要識別到信號中的最小變化是多少?

　　信號中可識別的最小變化，決定了DAQ設備所需的分辨率。分辨率是指ADC可以用來(lái)表示一個(gè)信號的二進(jìn)制數的位數。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，試想一個(gè)正弦波通過(guò)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(lái)說(shuō)，使用3位分辨率所表示的波形看起來(lái)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(lái)表示一個(gè)正弦波

　　典型的DAQ設備的電壓范圍為+/-5V或+/-10V。在此范圍內，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設備，可以識別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設備則可以識別到300μV的變化。大多數應用都可以使用具有12、16或18位分辨率ADC的設備解決問(wèn)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)數據采集設備。電壓范圍和分辨率是選擇合適的數據采集設備時(shí)所需考慮的重要因素。

5. 測量應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)地表示待測信號的性能指標。這個(gè)指標與分辨率無(wú)關(guān);然而精度大小卻又絕不會(huì )超過(guò)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(lèi)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：系統噪聲、增益誤差、偏移誤差、非線(xiàn)性，等等。制造商通常使用的一個(gè)參數指標是絕對精度，它表征DAQ設備在一個(gè)特定的范圍內所能給出的最大的誤差。例如，對于National Instruments公司的一個(gè)設備計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，還取決于被測信號的類(lèi)型。如果被測信號的噪聲很大，則會(huì )對測量的精度產(chǎn)生不利的影響。市面上的DAQ設備種類(lèi)繁多，精度和價(jià)格各異。有些設備可提供自校準、隔離等電路來(lái)提高精度。一個(gè)普通的DAQ設備所達到的絕對精度可能超過(guò)100mV，而更高性能的設備的絕對精度甚至可能達到約1mV。一旦您確定了應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設備。