數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎(chǔ)知識(shí)

　　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的精度和功能的信息。基本技術(shù)說(shuō)明適用于大部分數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，包括通道數(shù)目、采樣速率、分辨率和輸入范圍等方面的信息。

　　通道數(shù)-對(duì)于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號(hào)均 以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號(hào)電壓較高(高于1 V)，信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短(低于15 ft)，且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)該用差分輸入。對(duì)于差分輸入，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自有的基準(zhǔn)地線;由于共模噪 聲可以被導(dǎo)線所消除，從而減小了噪聲誤差。

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

　　多路復(fù)用-多路復(fù)用是使用單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的一種常用技術(shù)。要了解更多關(guān)于多路復(fù)用的信息，請(qǐng)參看此文的“信號(hào)調(diào)理”章節(jié)。

　　分辨率-模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來(lái)表示模擬信號(hào)的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號(hào)范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測(cè)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(shù)轉(zhuǎn)換器所獲得相應(yīng)數(shù)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(qū)間。

　　每一個(gè)區(qū)間都由在000至111內(nèi)的一個(gè)二進(jìn)制碼來(lái)表示。很明顯，用數(shù)字來(lái)表示原始模擬信號(hào)并不是一種很好的方法，這是由于在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)丟失信 息。然而，當(dāng)分辨率增加至16位時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的編碼數(shù)目從8增長(zhǎng)至65,536，由此可見(jiàn)，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)模擬輸入電路其它部分的情況下，您可以對(duì)模擬信 號(hào)進(jìn)行非常準(zhǔn)確的數(shù)字化。

　　圖3 . 三位分辨率下正弦波的數(shù)字化

　　量程-量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備能對(duì)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(hào)的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測(cè)量的分辨率。

　　編碼寬度-數(shù)據(jù)采集設(shè)備上可用的量程、分辨率和增益決定了最小可探測(cè)的電壓變化。此電壓變化代表了數(shù)字值上的最低有效位 1(LSB)，也常被稱為編碼寬度。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(shù)據(jù)采集設(shè)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(dāng)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(shù)據(jù)采集設(shè)備具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采樣率這樣的基本指標(biāo)，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(shù)據(jù)要低于12位。為了確定您所要用的設(shè)備是否能滿足您所期待的結(jié)果，請(qǐng)仔細(xì)審查那些超出產(chǎn)品分辨率的技術(shù)指標(biāo)。

　　評(píng)估數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品時(shí)，還需要考慮微分非線性度(DNL)、相對(duì)精度、儀用放大器的穩(wěn)定時(shí)間和噪聲等。

　　微分非線性度(DNL)——在理想情況下，當(dāng)您提高一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的電壓值時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的數(shù)字編碼也應(yīng)該線性增加。如果您對(duì) 一個(gè)理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)定電壓值與輸出碼的關(guān)系，繪出的線應(yīng)是一條直線。這條理想直線的離差被定義為非線性度。DNL是指以LSB為測(cè)量單位，和1LSB 理想值的最大離差。一個(gè)理想的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值為0，一個(gè)好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值應(yīng)在±0.5 LSB以內(nèi)。

　　對(duì)于一個(gè)編碼應(yīng)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(shù)據(jù)采集設(shè)備可能有一個(gè)等于或非常接近零的編碼寬度，這意味著會(huì)有一個(gè)丟失碼。對(duì)一個(gè)有丟 失碼的數(shù)據(jù)采集設(shè)備無(wú)論輸入什么電壓，設(shè)備都無(wú)法將此電壓量化為丟失碼