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導購-測量平臺如何選擇合適的數據采集硬件

---- 如何選擇合適的數據采集硬件


發布時間:2019-06-13


時間:2012年3月25日 來源:網絡 關鍵詞:數據采集 測量平臺 采集硬件

  面對市場上眾多的數據采集(DAQ)設備,如何為您的應用選擇最合適的一款本白皮書概述了在為測量應用選擇數據采集硬件時所需要考慮的5個問題。   1. 需要測量或者生成的信號是什么類型   對于不同類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,您可以生成一個可測量的電信號給傳感器,從而產生一個物理現象。因此,了解不同類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型,才能夠著手選擇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/定時器,用于對數字事件進行計數或產生數字脈沖/信號;有些DAQ設備僅擁有上述功能中的一種,而多功能DAQ設備則可以實現所有上述功能。一般來講,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,在考慮購買設備時,您需要在當前所需的通道數的基礎上再預留一些,這樣您可在必要時進行更多通道的數據采集。而如果您所購買的設備的通道數僅夠滿足當前需要,則可能在未來新測量應用面前捉襟見肘。   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機箱,用于控制定時和同步信號,并控制各種I/O模塊。   模塊化系統的優點是,您可以選擇不同的模塊,每個模塊實現其獨特的功能,從而可以實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。另一個優點是,您可以根據需要選擇插槽數量合適的機箱。一個機箱的插槽數量是固定的,因此您在購買機箱時,可以在當前所需插槽數的基礎上再預留一些,以備未來擴展。   2. 需要信號調理嗎   一個典型的通用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生的信號,若直接使用DAQ設備進行測量或生成,則可能比較困難或會有危險。因此,大多數傳感器需要對信號進行諸如放大或濾波之類的調理措施,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低通濾波消除高頻噪聲,從而改善信號質量。信號調理所帶來的好處是單純的DAQ系統無法比擬的,它提高了DAQ系統本身的性能和測量精度。表1總結了針對不同類型的傳感器和測量應用所需的常見信號調理措施。

     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設備來說,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(無論硬件定時或軟件定時)可達2MS/S。在決定設備的采樣率時,您需要考慮應用中所需采集或生產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,是對一個頻率為1kHz的正弦波分別以2kHz和10kHz采樣率采樣時的結果比較。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可以用來表示一個信號的二進制數的位數。為了說明這一點,試想一個正弦波通過不同的分辨率的ADC進行采集后所表示的效果會有何不同。圖2比較了3位和16位ADC。一個3位ADC可以表示8(23)個離散的電壓值,而一個16位ADC可以表示65536(216)個離散的電壓值。對于一個正弦波來說,使用3位分辨率所表示的波形看起來更像一個階梯波,而16位ADC所表示的波形則更像一個正弦波。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,一個具有+/-10V電壓范圍和12位分辨率(212 或4096個均勻分布的電壓值)的DAQ設備,可以識別5mV的電壓變化;而一個具有16位分辨率(216 或 65536個均勻分布的電壓值)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位分辨率的動態數據采集設備。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   精度是衡量一個儀器能否忠實地表示待測信號的性能指標。這個指標與分辨率無關;然而精度大小卻又絕不會超過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型。一個理想的儀器總是能夠百分之百地測得真實的值;然而在現實中,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、非線性,等等。制造商通常使用的一個參數指標是絕對精度,它表征DAQ設備在一個特定的范圍內所能給出的最大的誤差。例如,對于National Instruments公司的一個設備計算絕對精度的方法如下所示,值得注意的是,一個儀器的精度不僅取決于儀器本身,還取決于被測信號的類型。如果被測信號的噪聲很大,則會對測量的精度產生不利的影響。   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   市面上的DAQ設備種類繁多,精度和價格各異。有些設備可提供自校準、隔離等電路來提高精度。一個普通的DAQ設備所達到的絕對精度可能超過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,你就可以選擇一個具有合適絕對精度的DAQ設備。
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