选择数据采集设备需要考虑的五大因素.doc

选择数据采集设备数字化仪需要考虑的五大因素National Instruments（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。图中可以看到，DSA分辨率较高，多为24 bit，采样率可达200 KS/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10 MS/s，可选的设备较多，分辨率最高可达DSA性能的24 bit（如NI9211），采样率最高也可达到Digitizer性能的10 MS/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10 MS/s，最高可达GS/s的量级（如PXI-5152为2 GS/s），也有一些Digitizer可以提供非常高的分辨率，最大可达24 bit（如PXI-5922，24 bit，500 KS/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-3 dB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。分辨率与动态范围众所周知，3 bit分辨率代表8个不同电压幅值，16 bit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16-24 bit的分辨率，而16-24 bit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NI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