如何为测量系统选择正确的数据采集卡硬件产品

如何为测量系统选择正确的数据采集卡硬件

概览

可供选择的数据采集(DAQ)设备数不胜数，因此为应用选择合适的设备并不容易。本篇文章总结了在选择硬件时应当要注意的5个问题。

选择正确的数据采集卡硬件的5个问题

我需要测量或生成什么类型的信号？

我是否需要信号调理？

我需要以多快的速度采集或生成信号样本？

需要检测的信号中的最小变化是多少？

我的应用可允许多大的测量误差？

1.我需要测量或生成什么类型的信号？

不同类型的信号所需的测量或生成方式也不尽相同。传感器（或转换器）是一种将物理现象转换为可测量的电信号（如电压或电流）的设备。您也可以向传感器发送一个可测量的电信号，来生成物理现象。出于这个原因，了解不同类型的信号及其相应的属性是很重要的。根据应用中的信号，您便可以开始考虑要使用哪种数据采集卡设备。

数据采集卡数据采集卡设备的功能

模拟输入可测量模拟信号

模拟输出可生成模拟信号

数字输入/输出可测量和生成数字信号

计数器/定时器可对数字事件进行计数或生成数字脉冲/信号

一些设备只专门提供上述的某一种功能，而也有些多功能设备可以支持所有功能。您可以找到具有固定通道数的单一功能的数据采集卡数据采集卡设备，包括模拟输入、模拟输出、数字输入/输出或计数器；但是，购买时应该考虑选择拥有通道数多于目前所需的设备，这样可以在必要时增加通道数。如果您购买的设备只具备满足当前应用的功能，那么将来硬件就很难适应新的应用。

多功能数据采集卡数据采集卡设备的通道数固定，但提供模拟输入、模拟输出、数字输入/输出和计数器的功能组合。多功能设备可支持不同类型的I/O，使您有能力应对许多不同的应用需求，这是单一功能的数据采集卡数据采集卡设备所做不到的。

 另一种选择是模块化平台，您可以根据自己的确切要求对其进行定制。模块化系统由控制定时和同步的机箱以及各种I/O模块组成。模块化系统的一个优点是，您可以选择功能各不相同的模块，因此可以实现更多的配置。基于这一选择，您就可以使用不同的模块来执行不同的任务，且精度要比使用一台多功能设备要高得多。模块化系统的另一个优点是可以针对您的机箱选择插槽的数量。虽然机箱的插槽数量是固定的，但您可以购买插槽数超出目前所需数量的机箱，方便在未来进行扩展。

2.我是否需要信号调理？

典型的通用型数据采集卡设备可以测量或生成+/-5 V或+/-10 V的信号。但是某些传感器所生成的信号难以测量或测量时有安全隐患，就无法使用这种类型的数据采集卡设备直接测量。而且大多数传感器生成的信号都需要先进行调理（如放大或滤波），才能被数据采集卡设备有效且准确地测量。

 例如，热电偶输出的信号在mV范围内，这就需要先将信号放大，才能输出到模数转换器(ADC)进行有效的转换。此外，热电偶测量的信号经过低通滤波，可以消除高频噪声。相对单独的数据采集卡设备而言，信号调理提供了一种独特的优势，因为它可以提高数据采集卡系统的性能和测量精度。

表1总结了不同类型传感器和测量常见的信号调理。

  放大 衰减 隔离 滤波 激励 线性化 CJC 桥补全

热电偶 x     x   x x  

热敏电阻 x     x x x    

RTD x     x x x    

应变计 x     x x x   x

载荷、压力、扭矩（mV/V，4-20 mA） x     x x x    

x     x x x    

加速度计 x     x x x    

麦克风 x     x x x    

接近式探头 x     x x x    

LVDT/RVDT x     x x x    

高电压   x x          

表1.不同类型传感器和测量的信号调理

如果表1列出了您的传感器，则应该考虑使用信号调理。您可以添加外部信号调理，也可以使用具有内置信号调理功能的数据采集卡设备。许多设备还包括特定传感器的内置连接，以方便传感器集成。

3.我需要以多快的速度采集或生成信号样本？

对数据采集卡设备而言，采样率是最重要的技术参数之一，它是指数据采集卡设备的模数转换器采集信号样本的速度。典型的采样率是硬件或软件定时的，最高可达2 MS/s。应用的采样率取决于要测量或生成的信号的最大频率分量。

奈奎斯特定理指出，以两倍于原始信号最高频率分量的速率进行采样可以准确地重构信号。但实际上采样速率应至少达到最大频率的10倍，才能正确再现信号的形状。因此，选择采样速率至少是信号频率10倍的数据采集卡设备，可确保测得或生成更准确的信号。

例如，假设在应用中，我们要测量频率为1 kHz的正弦波。根据奈奎斯特定理，必须至少在2 kHz下进行采样，但强烈建议在10 kHz下进行采样，这样可测得或生成更准确的信号。图1对比了在2 kHz和10 kHz下测得的1 kHz正弦波。

图1.在10 kHz和2 kHz下测得的1 kHz正弦波

因此，只需知道要测量或生成的信号的最大频率分量，便可为应用选择相应采样率的数据采集卡设备。

4.需要检测的信号中的最小变化是多少？

信号中可检测到的最小变化决定了数据采集卡设备所需的分辨率。分辨率是指模数转换器可用于表示信号的二进制位数。为了说明这一点，假设让正弦波通过具有不同分辨率的模数转换器，那么如何表示它？图2比较了3位模数转换器和16位模数转换器。3位模数转换器可以表示八(23)个离散电压电平。16位模数转换器可以表示65,536(216)个离散电压电平。用3位分辨率表示的正弦波更像是一个阶跃函数，而16位模数转换器的正弦波则能很清晰地看出来是正弦波。

图2. 16位分辨率和3位分辨率ADC生成的正弦波图

一般数据采集卡设备的电压范围是+/-5 V或+/-10 V。可表示的电压电平在选定的范围上均匀分布，以利用整个分辨率。例如，范围是+/-10 V并且分辨率为12位（212或4,096个均匀分布的电平）的数据采集卡设备可以检测5 mV的变化，而分辨率为16位（216或65,536个均匀分布的电平）的设备可以检测300 μV的变化。分辨率为12、16或18位的设备能满足很多应用的要求。但是，如果测量的是电压范围更小或更大的传感器，使用分辨率为24位的设备提供的动态数据范围可能会很有好处。因此，为应用选择合适的设备时，应主要考虑应用所需的电压范围和分辨率。

5.我的应用可允许多大的测量误差？

精度是一个度量项，反映了仪器如实指示被测量信号的值的能力。这个术语与分辨率无关，但是仪器的精度永远不可能高于分辨率。如何定义测量的精度取决于测量设备的类型。理想的仪器总是可以十分确定地测量真实值，但在现实情况下，仪器报告的值存在不确定性（由制造商定义）。这种不确定性可能取决于多种因素，如系统噪声、增益误差、偏移误差和非线性。描述仪器不确定性的常见参数是绝对精度。这个参数定义了指定范围内数据采集卡设备的最大误差。NI多功能设备的绝对精度的计算范例如下所示：

绝对精度=（[读数*增益误差] + [电压范围*偏移误差] +噪声不确定度）

绝对精度=2.2 mV

注意，仪器的精度不仅取决于仪器，还取决于要测量的信号的类型。如果正在测量的信号有噪声，测量的精度会降低。数据采集卡设备有很多，它们的精度和价格各不相同。一些设备可能提供自校准、隔离和其他电路来提高精度。如果基本数据采集卡设备可以提供的绝对精度超过100 mV，那么具有此类功能的更高性能的设备可提供大约1 mV的绝对精度。了解精度要求后，您可以选择绝对精度符合您的应用需求的数据采集卡设备。

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