选择数据采集设备需要考虑的五大因素

选择数据米集设备数字化仪需要考虑的五大因素NationalInstruments(NI)公司创建于1976年，是虚拟仪器的倡导者，其产品线遍布测试测量与自动化的各个领域，目前已经超过了2000多种测试测量产品。NI公司旗下有600多家系统联盟商，可以提供航空、汽车、电子制造、通信、半导体等领域专业的系统集成和解决方案。虚拟仪器技术所谓虚拟仪器是根据用户的要求由软件定义通用测量硬件的功能。由于功能由软件定义，因此其灵活性和集成度非常高。虚拟仪器分为三大组成部分：高效的软件，如NI的LabVIEW；模块化I/O硬件；用于集成的软硬件平台，从而将软硬件结合到一起以构成一套完整的虚拟仪器系统。选择数据采集须考虑的因素通常用到的数据采集设备有三类：动态信号采集设备(DSA)，信号采集设备(DAQ)以及数字化仪(Digitizers)，即常说的示波器，图1所示的为不同数据采集设备所对应的采样率和分辨率的分布图。-KM)«r-KM)«r朱图中可以看到，DSA分辨率较高，多为24bit,采样率可达200KS/s,多用于声音和振动信号的采集与测量；DAQ是非常通用的数据采集设备，采样率最高可达10MS/s，可选的设备较多，分辨率最高可达DSA性能的24bit（如NI9211），采样率最高也可达到Digitizer性能的10MS/s（如6115）；Digitizer是较为通用的高端信号采集设备，其采样率大多大于10MS/s，最高可达GS/s的量级（如PXI-5152为2GS/s），也有一些Digitizer可以提供非常高的分辨率，最大可达24bit（如PXI-5922,24bit，500KS/s，分辨率可调）。数字化仪/数据采集设备的体系结构数字化仪/数据采集设备的体系结构是选择数据采集设备首先需要考虑的，通常有三种：多路切换ADC，同步采样和定时差值采样。多路切换ADC是一种最常用的结构，广泛应用于多功能数据采集设备中，NI的M系列和E系列设备都是采用这种结构。在多路切换ADC中，多个通道共享一路ADC，因此其成本较低。但因此也存在吞吐量较低，不同通道间存在相位误差从而影响测量的质量。因为多路信号共享ADC，随着通道数的增加，系统的采样率和吞吐量也会降低。因此选择数据采集设备时，如果对采样率和同步要求不是很高的情况下，多路切换ADC是一个非常理想的选择。同步采样体系为每路信号配置了一个ADC，从而克服了多路切换ADC的不足。该体系吞吐量比较高，不同的通道之间没有相位误差，然而由于ADC的增加相应的电路也增加，使得同步采样设备成本较高。NI的S系列卡和大多数高速数字化仪即采用的这一体系。通常的ADC芯片采样率都有所限制，通过在一个通道使用多路ADC信号进行定时差值采样，即可获得更高的采样率。如输入信号接入两个ADC，在不同的采样时刻对其进行采样，之后将两路采样进行差值，从而得到二倍采样率的信号。然而这种结构相应的成本较前两种高，动态特性较低。NI提供了数据采集广泛的全线产品，如NI的M系列采集卡采用多路切换ADC结构，S系列和高速数字化仪采用同步采样结构，高速数字化仪PXI-5152则采用定时差值采样。采样率和带宽在选择高速数字化仪时，带宽是一个非常重要的指标，尤其在时域测量中。带宽的定义为输入的正弦信号通过模拟前端幅度衰减到70.7%时的频率，即通常所说的-3dB点。选择高速数字化仪时为达到一定的测量精度，通常推荐带宽典型值为待测信号中最高频率分量的2-5倍。采样率是信号通过模拟通道之后，数字化仪的ADC把输入信号转换成数字数据的速率。采样率与带宽是两个独立的指标，之间没有直接的联系，采样率和数字化ADC相关，而带宽与模拟输入通道相关。奈奎斯特采样定理指出，能够正确恢复信号的条件是信号的采样率必须至少是测量信号最高频率的2倍。模拟信号经过采样之后频谱会发生周期性延拓，如果采样率不够高，高频部分掩盖低频部分而引起混叠。通过提高采样率可以避免这种情况发生，也可以在输入信号之前加一个低通滤波器，在ADC之前即滤除不需要的高频部分从而避免混叠。通常情况下选择采样率时会比最高频率的2倍大一些，而对于高速数字化仪来讲采样率一般为带宽的3-4倍。观察图2可以发现，同样带宽的示波器采集同样的信号，左边采样率较低右边采样率较高。可以看到即使带宽足够大，采样率很低的时候也没有办法得到精确的效果。因此采样率与带宽同样都非常重要。表一N】高速散字胃没井应的技术指标产品采辑率Rl机交燃采律*带重分辨率PKI-515?ZIK.S«300MHz]UtifU150MH712btuMl512210OMS^s2.OGS/5IWMHzMbitsPX151M25OMSj3时一I25MH?MbitsNl5112IQOMS/s15GS/I100MHzKbitsNI51022UMSs1OGS/s15MH2SbiisX!5^22G、lHr1*HBto124blti|

分辨率与动态范围分辨率与动态范围众所周知，3bit分辨率代表8个不同电压幅值，16bit代表65536个电压幅值，分辨率通常是由数据采样设备ADC决定的。动态范围是输入信号幅度的最大值和最小值的比值，无基声的动态范围指在一定频率范围内基波分量和其它非基波分量的第二大频率分量的比值。第二大频率分量可以是谐波和失真波。如总谐波失真、信噪比、信号对噪声及失真比等都是基波、谐波、噪声不同组合的比值，总谐波失真THD是基波和谐波有效值的比值，信噪比SNR是信号有效值和噪声有效值的比值，信号对噪声及失真比SINAD是信号的有效值对噪声及失真之和的比值。需注意的是，THD和SINAD必须对应有输入信号的频率和幅度。表一列出了NI高速数据化仪对应的技术指标。与数据采样相比，高速数字化仪提供的采样率一般为M级别，分辨率带宽等指标也具有广泛的产品选择°NI5922是一个灵活分辨率的高速数字化仪，提供16-24bit的分辨率，而16-24bit之间不同的分辨率对应的采样率也不同。此外，随机交织率是州的一种软件技术，通过该技术以达到G每秒。绝对精度

实际测量中测量结果与真实值存在一个偏差，这一偏差有一个不确定的范围，而且每次测量该范围不固定，但呈现出一定的分布，这一分布是产品允许的最大误差也即通常所说的绝对精度。图3表示了一个数据采集设备的输入通路引入不确定度的来源。整个输入通路主要包括多路选择器、可编程增益放大器和模式转换器三个部分。系统中各个部分都可能引入噪声：参考量随时间和温度变化产生漂移，增益前后引入的非线性，随机噪声等累加到一起对系统的测量结果产生影响。不确定性中有几个固定的误差，分别为：量化误差、内在系统噪声、漂移误差、增益误差以及非线性，如图4所示。图中横轴所示为输入电压，纵轴为得到的测量值。量化误差是模拟输入信号数字化时产生的误差，测量硬件把实际测量值取整后变成最接近的值返回到计算机，即是最理想的ADC也有LSB的误差存在。内在系统噪声指模拟电路或ADC引入的随机噪声。漂移误差是放大器叠加到信号上的直流分量，图中可以看到漂移误差使测量结果产生了一定的偏置。增益误差是实际斜率和理想斜率的差值。非线性指测量值和理想值的传输性相比产生了一定的偏移。以上提到的固定误差是由于系统各部分的限制引入的，随时间改变误差的变化很小，因此是一种静态误差。然而在实际情况中随着温度、时间、环境的改变，某些电子器件产生一定的漂移从而引入误差，这种误差是动态的。因此很多产品有一个使用年限，过了该期限应对其进行校准。多个设备的同步很多应用会涉及多个设备并且要同步的工作，常用的定时和同步的方法有:启动和停止触发，锁相环(PLL),以及供发时钟(TQk).启动和停止触发可以用来开始和终止设备的采集.用一个触发信号通以及供发时钟(TQk).启动和停止触发可以用来开始和终止设备的采集.用一个触发信号通知设备开始采集,用另外-个信号通加设备停止采集，触发侑号的使用方式可以是主设备利用触1发信号在多个设备上发起或终止事件，如PXI、VXI、GP旧、LAN、USB、1394都支持这种应用：也可以使用触发信号实现设备之间的捱手通信，如PXI和VXI中.对于锁相环同步.如果西个模块各有自己的时钟，的个时神犊率•致，但在没有钗相拜的时候有一个相位差，锁相环通过参考时钟沔除相位差.假说模块的时钟是100MHz,公用的参考时钟是10MHz.每个模块时钟每过10个周期就勺参考时钟上升沿进行比较，如果上升沿没寺•肘齐,ADC则会自动黄整r(到上升沿都N齐.从而利用锁相环实现同步e如果把梃相环技术与开始和停止艇发技术相结合，即可实现同步采集.而且精度1F常高.蚀发时钟TCK是一种更高点度的设备同步方法，它将钦相环启动和开始触发相结合，同时增加了一种更慢的时钟信号即TOk.n先遍过顿相坏将主从设务的时时同步，之后联合使用TClk和StartTrigger信号，只有有TOk下降沿.主设备才会发送Start币仲勺号，!U；在TCMi:升沿t从设备才会接收这个鼓发苞号开始采集，从而确保了主从设备在个采样时钟点开始「作，而旦也丁以确保不同采样率的多个设备之间的同步.在送择数字化仪或数据采集设备的时候，NI建议从以F5个方面考虑，首先根据采样要求和成本预算选择合适的体系坊构.接卜•来考毋带宽、果样率、分辨率和动态范用等重要的折株，而产品说明节的绝对精度列衣能够得助用户更好堆做决定，最后如果应用中涉及到多个设备多个仪器.如果焉要在多个设备和仪器之间实现同步的话，可以根据同步的精度要求.来选择不同的同步方式支持的产品.更多详细内容.敬谓登录中电网在线座谈网址：

/061207/^chf.asp问答选编问:AD速率,采祥点数量，采祥频率,USB通讯等因素中影响测最速度最关键的是什么?答:时于*i量来讲.AD的速率限制了长大来样速率,相同的时间•矣样速率毯高，灸样点数自然越多・而时于USB通讯来诺，主要完或的是将来祥得到的做锯传送到PC中，因此USB的总绶苦克影响的是采集到的数据从硬件抵卡传诞剽计算机的速度.因此对于测量来爆，&才而因素莒要嫁合考虑.问，带宽和采样速率有没有一定的计算方法或相对应的表格)答：替Jt和朱样率是纹件的指标，一般产品的specihcotion上嘉布.间:某样设备的采样率和带宽之比是否应该在2■4之间才是合理的？冬:it君要根据待测信号的时域揪桂来决龙.如果■浏土的是亦波.它有中富的谐波分那么来杼卒芸帝It的两倍是不钟的・一般卅况*.2/技R比技合理的.问•-•为逑ADC*样音演信号侬吟候.多少位5t比较好？齐冬珞始两越好,NI的4472可以提供24twt的花度.问:随机交织采样率是什么概念9它和采样有什么关系答:它是一个采集周期信号时的概念，效果是提高了板卡的展高来样频率，如NI的5152在这个模式下能达刊20G的矣件率.问：数据采集卡或数字化仪是否包括传感器部分?如果不包括•它们之间的连接需要注琶什么?连接跆篱有多远？答:不包括传感8.需安通过terminolWock(子板