選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要考慮的五大因素

1、選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)字化儀需要考慮的五大因素national instruments（ni）公司創(chuàng)建于1976年，是虛擬儀器的倡導(dǎo)者，其產(chǎn)品線遍布測(cè)試測(cè)量與自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，目前已經(jīng)超過了2000多種測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品。ni公司旗下有600多家系統(tǒng)聯(lián)盟商，可以提供航空、汽車、電子制造、通信、半導(dǎo)體等領(lǐng)域?qū)I(yè)的系統(tǒng)集成和解決方案。虛擬儀器技術(shù)所謂虛擬儀器是根據(jù)用戶的要求由軟件定義通用測(cè)量硬件的功能。由于功能由軟件定義，因此其靈活性和集成度非常高。虛擬儀器分為三大組成部分：高效的軟件，如ni的labview；模塊化i/o硬件；用于集成的軟硬件平臺(tái)，從而將軟硬件結(jié)合到一起以構(gòu)成一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)。選擇數(shù)

2、據(jù)采集須考慮的因素通常用到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有三類：動(dòng)態(tài)信號(hào)采集設(shè)備（dsa），信號(hào)采集設(shè)備（daq）以及數(shù)字化儀（digitizers），即常說的示波器，圖1所示的為不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備所對(duì)應(yīng)的采樣率和分辨率的分布圖。圖中可以看到，dsa分辨率較高，多為24 bit，采樣率可達(dá)200 ks/s，多用于聲音和振動(dòng)信號(hào)的采集與測(cè)量；daq是非常通用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采樣率最高可達(dá)10 ms/s，可選的設(shè)備較多，分辨率最高可達(dá)dsa性能的24 bit（如ni9211），采樣率最高也可達(dá)到digitizer性能的10 ms/s（如6115）；digitizer是較為通用的高端信號(hào)采集設(shè)備，其采樣率大多大于10

3、 ms/s，最高可達(dá)gs/s的量級(jí)（如pxi-5152為2 gs/s），也有一些digitizer可以提供非常高的分辨率，最大可達(dá)24 bit（如pxi-5922，24 bit，500 ks/s，分辨率可調(diào)）。數(shù)字化儀/數(shù)據(jù)采集設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)數(shù)字化儀/數(shù)據(jù)采集設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)是選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備首先需要考慮的，通常有三種：多路切換adc，同步采樣和定時(shí)差值采樣。多路切換adc是一種最常用的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，ni的m系列和e系列設(shè)備都是采用這種結(jié)構(gòu)。在多路切換adc中，多個(gè)通道共享一路adc，因此其成本較低。但因此也存在吞吐量較低，不同通道間存在相位誤差從而影響測(cè)量的質(zhì)量。因?yàn)槎?/p>

4、路信號(hào)共享adc，隨著通道數(shù)的增加，系統(tǒng)的采樣率和吞吐量也會(huì)降低。因此選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)，如果對(duì)采樣率和同步要求不是很高的情況下，多路切換adc是一個(gè)非常理想的選擇。同步采樣體系為每路信號(hào)配置了一個(gè)adc，從而克服了多路切換adc的不足。該體系吞吐量比較高，不同的通道之間沒有相位誤差，然而由于adc的增加相應(yīng)的電路也增加，使得同步采樣設(shè)備成本較高。ni的s系列卡和大多數(shù)高速數(shù)字化儀即采用的這一體系。通常的adc芯片采樣率都有所限制，通過在一個(gè)通道使用多路adc信號(hào)進(jìn)行定時(shí)差值采樣，即可獲得更高的采樣率。如輸入信號(hào)接入兩個(gè)adc，在不同的采樣時(shí)刻對(duì)其進(jìn)行采樣，之后將兩路采樣進(jìn)行差值，從而得到二倍

5、采樣率的信號(hào)。然而這種結(jié)構(gòu)相應(yīng)的成本較前兩種高，動(dòng)態(tài)特性較低。ni提供了數(shù)據(jù)采集廣泛的全線產(chǎn)品，如ni的m系列采集卡采用多路切換adc結(jié)構(gòu)，s系列和高速數(shù)字化儀采用同步采樣結(jié)構(gòu)，高速數(shù)字化儀pxi-5152則采用定時(shí)差值采樣。采樣率和帶寬在選擇高速數(shù)字化儀時(shí)，帶寬是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，尤其在時(shí)域測(cè)量中。帶寬的定義為輸入的正弦信號(hào)通過模擬前端幅度衰減到70.7%時(shí)的頻率，即通常所說的-3 db點(diǎn)。選擇高速數(shù)字化儀時(shí)為達(dá)到一定的測(cè)量精度，通常推薦帶寬典型值為待測(cè)信號(hào)中最高頻率分量的2-5倍。采樣率是信號(hào)通過模擬通道之后，數(shù)字化儀的adc把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的速率。采樣率與帶寬是兩個(gè)獨(dú)立的指標(biāo)，

6、之間沒有直接的聯(lián)系，采樣率和數(shù)字化adc相關(guān)，而帶寬與模擬輸入通道相關(guān)。奈奎斯特采樣定理指出，能夠正確恢復(fù)信號(hào)的條件是信號(hào)的采樣率必須至少是測(cè)量信號(hào)最高頻率的2倍。模擬信號(hào)經(jīng)過采樣之后頻譜會(huì)發(fā)生周期性延拓，如果采樣率不夠高，高頻部分掩蓋低頻部分而引起混疊。通過提高采樣率可以避免這種情況發(fā)生，也可以在輸入信號(hào)之前加一個(gè)低通濾波器，在adc之前即濾除不需要的高頻部分從而避免混疊。通常情況下選擇采樣率時(shí)會(huì)比最高頻率的2倍大一些，而對(duì)于高速數(shù)字化儀來講采樣率一般為帶寬的3-4倍。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，同樣帶寬的示波器采集同樣的信號(hào)，左邊采樣率較低右邊采樣率較高。可以看到即使帶寬足夠大，采樣率很低的時(shí)候也沒

7、有辦法得到精確的效果。因此采樣率與帶寬同樣都非常重要。分辨率與動(dòng)態(tài)范圍眾所周知，3 bit分辨率代表8個(gè)不同電壓幅值，16 bit代表65536個(gè)電壓幅值，分辨率通常是由數(shù)據(jù)采樣設(shè)備adc決定的。動(dòng)態(tài)范圍是輸入信號(hào)幅度的最大值和最小值的比值，無基聲的動(dòng)態(tài)范圍指在一定頻率范圍內(nèi)基波分量和其它非基波分量的第二大頻率分量的比值。第二大頻率分量可以是諧波和失真波。如總諧波失真、信噪比、信號(hào)對(duì)噪聲及失真比等都是基波、諧波、噪聲不同組合的比值，總諧波失真thd是基波和諧波有效值的比值，信噪比snr是信號(hào)有效值和噪聲有效值的比值，信號(hào)對(duì)噪聲及失真比sinad是信號(hào)的有效值對(duì)噪聲及失真之和的比值。需注意的是，

8、thd和sinad必須對(duì)應(yīng)有輸入信號(hào)的頻率和幅度。表一列出了ni高速數(shù)據(jù)化儀對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。與數(shù)據(jù)采樣相比，高速數(shù)字化儀提供的采樣率一般為m級(jí)別，分辨率帶寬等指標(biāo)也具有廣泛的產(chǎn)品選擇。ni5922是一個(gè)靈活分辨率的高速數(shù)字化儀，提供16-24 bit的分辨率，而16-24 bit之間不同的分辨率對(duì)應(yīng)的采樣率也不同。此外，隨機(jī)交織率是ni的一種軟件技術(shù)，通過該技術(shù)以達(dá)到g每秒。絕對(duì)精度實(shí)際測(cè)量中測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值存在一個(gè)偏差，這一偏差有一個(gè)不確定的范圍，而且每次測(cè)量該范圍不固定，但呈現(xiàn)出一定的分布，這一分布是產(chǎn)品允許的最大誤差也即通常所說的絕對(duì)精度。圖3表示了一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入通路引入不確定度

9、的來源。整個(gè)輸入通路主要包括多路選擇器、可編程增益放大器和模式轉(zhuǎn)換器三個(gè)部分。系統(tǒng)中各個(gè)部分都可能引入噪聲：參考量隨時(shí)間和溫度變化產(chǎn)生漂移，增益前后引入的非線性，隨機(jī)噪聲等累加到一起對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。不確定性中有幾個(gè)固定的誤差，分別為：量化誤差、內(nèi)在系統(tǒng)噪聲、漂移誤差、增益誤差以及非線性，如圖4所示。圖中橫軸所示為輸入電壓，縱軸為得到的測(cè)量值。量化誤差是模擬輸入信號(hào)數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生的誤差，測(cè)量硬件把實(shí)際測(cè)量值取整后變成最接近的值返回到計(jì)算機(jī)，即是最理想的adc也有l(wèi)sb的誤差存在。內(nèi)在系統(tǒng)噪聲指模擬電路或adc引入的隨機(jī)噪聲。漂移誤差是放大器疊加到信號(hào)上的直流分量，圖中可以看到漂移誤差使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了一定的偏置。增益誤差是實(shí)際斜率和理想斜率的差值。非線性指測(cè)量值