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數據采集DAQ基礎知識（三）
數據采集設備的驅動軟件將模數轉換器輸出的二進制碼值通過乘以一個常數轉化為電壓值。良好的相對精度對數據采集設備很重要，因為它確保了將模數轉換器輸出的二進制碼值能被準確地轉化為電壓值。獲得良好的相對精度需要正確地設計模數轉換器和外圍的模擬電路。
噪聲－在數據采集設備的數字化信號中不希望出現的信號即為噪聲。因為PC是一個有噪聲的數字化環境，所以在插入式設備上作采集工作需要經驗豐富的模擬電路設計人員在多層數據采集設備上精心布線。簡單地把一個模數轉換器、儀用放大器和總線接口電路布置在一個一層或兩層板上，這樣開發出的設備會有非常大的噪聲。設計者可以在數據采集設備中使用金屬屏蔽來降低噪聲。恰當的屏蔽不僅用于數據采集設備上敏感的模擬部分，而且體現在設備的板層間使用接地層。
圖5顯示了當輸入范圍為±10 V，增益為10時的一個直流噪聲。當1 LSB = 31 µV，20 LSB噪聲水平相當于620 µV的噪聲電壓。圖6顯示了兩個數據采集產品的直流噪聲曲線，它們使用的是相同的ADC，兩個數據采集產品的質量可由這些噪聲曲線來決定——噪聲的范圍和分布情況。從圖6a的曲線可以看出，NIAT-MIO-16XE-10，在0處有高的采樣分布，而它在其它碼值上的點數量極少。這種分布為高斯分布，它是隨機噪聲。從曲線可以得知，峰值噪聲在±3 LSB以內。在圖6b中，此產品是另一家廠商生產的數據采集設備，它的噪聲分布很不同。設備生成的噪聲高于20 LSB，出現了許多非期望值的采樣點。
圖5. 當信號通過一個切換40路DC信號的多路復用器輸入儀用放大器時，表現為一個高頻率AC信號
圖6. 盡管采用了相同16位ADC，兩種數據采集產品的噪聲曲線還是具有明顯的不同。圖6a是NI AT-MIO-16XE-10；圖6b是另一家廠商的數據采集產品
對于復雜的測量硬件如插入式數據采集設備，根據所使用設備的不同，您所得到的精度有很大的差別。NI一直致力于提供高精度的產品，在許多情況下，這些產品的精度甚至比臺式儀器還要高。在NI產品的技術規范中有這些精度的說明。同時您要注意那些沒有詳細說明的板卡；所省略的技術指標可能會導致測量的不精確。通過評估更多的模擬輸入技術指標，而不是簡單地參考模數轉換器的分辨率，您可以確定所選的數據采集產品對于您的應用是否具有足夠的精度。
模擬輸出
經常需要模擬輸出電路來為數據采集系統提供激勵源。數模轉換器（DAC）的一些技術指標決定了所產生輸出信號的質量－穩定時間、轉換速率和輸出分辨率。
穩定時間——穩定時間是指輸出達到規定精度時所需要的時間。穩定時間通常由電壓上的滿量程變化來規定。需要更多關于穩定時間的信息，請參考模擬輸入這一章節。
轉換速率——轉換速率是指數模轉換器所產生的輸出信號的變化速率。穩定時間和轉換速率一起決定模數轉換器改變輸出信號值的速率。因此，一個數模轉換器在一個小的穩定時間和一個高的轉換速率下可產生高頻率的信號，這是因為輸出信號精確地改變至一個新的電壓值這一過程所需要的時間極短。
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輸出分辨率——輸出分辨率與輸入分辨率類似；它是產生模擬輸出的數字碼的位數。較大的位數可以縮小輸出電壓增量的量值，因此可以產生更平滑的變化信號。對于要求動態范圍寬、增量小的模擬輸出應用，需要有高分辨率的電壓輸出。
觸發器
許多數據采集的應用過程需要基于一個外部事件來起動或停止一個數據采集的工作。數字觸發使用外部數字脈沖來同步采集與電壓生成。模擬觸發主要用于模擬輸入操作，當一個輸入信號達到一個指定模擬電壓值時，根據相應的變化方向來起動或停止數據采集的操作。
RTSI總線
NI公司為數據采集產品開發了RTSI總線。RTSI總線使用一種定制的門陣列和一條帶形電纜，能在一塊數據采集卡上的多個功能之間或者兩塊甚至多塊數據采集卡之間發送定時和觸發信號。通過RTSI總線，您可以同步模數轉換、數模轉換、數字輸入、數字輸出、和計數器/計時器的操作。例如，通過RTSI總線，兩個輸入板卡可以同時采集數據，同時第三個設備可以與該采樣率同步的產生波形輸出。
數字I/O DIO
數字線的數量當然應該與需要被控制的過程數目相匹配。在上述的每一個例子中，需要打開或關掉設備的總電流必須小于設備的有效驅動電流。
然而，通過應用恰當的數字信號調理配件，您可以使用進/出數據采集硬件的低電流TTL信號來監測/控制工業硬件產生的高電壓和電流信號。例如，在打開或關閉一個高閥門時，電壓和電流的值可能達到2A、100VAC的數量級。因為一個DIO設備的輸出為幾個毫安，電壓為0～5VDC，所以可以使用如SSR系列、ER-8/16，SC-206x，或 SCXI模塊來開關電源信號，控制閥門。
定時I/O
計數器/定時器在許多應用中具有很重要的作用，包括對數字事件產生次數的計數、數字脈沖計時，以及產生方波和脈沖。您通過三個計數器/計時器信號就可以實現所有上述應用——門、輸入源和輸出。
門——門是指用來使計數器開始或停止工作的一個數字輸入信號。
輸入源——輸入源是一個數字輸入，它的每次翻轉都導致計數器的遞增，因而提供計數器工作的時間基準。
輸出——在輸出線上輸出數字方波和脈沖。
應用一個計數器/計時器時*重要的指標是分辨率和時鐘頻率。分辨率是計數器所應用的位數。簡單地說，高分辨率意味著計數器可以計數的位數越高。時鐘頻率決定了您可以翻轉數字輸入源的速度有多快。當頻率越高，計數器遞增的也越快，因此對于輸入可探測的信號頻率越高，對于輸出則可產生更高頻率的脈沖和方形波。在我們的E系列數據采集設備中采用了DAQ-STC計數器/計時器，其時鐘頻率為20 MHz，共有16個24位計數器。在NI 660x計數器/計時器設備中，所用的NI-TIO計數器/計時器時鐘頻率為80 MHz，共有8個32位計數器。
DAQ-STC是NI的一種定制的專用集成電路 ASIC ， 它是為數據采集應用專門設計的。與應用在數據采集設備上的其他現有計數器/計時器芯片相比較，DAQ-STC是與眾不同的。例如，DAQ-STC是一個正向/反向的計數器/計時器，意味著它可以使用附加的外部數字信號，根據“高”或“低”電平，來正向計數或反向計數。這種類型的計數器/計時器可用于旋轉或線性編碼器來測量位置。其它的專有功能還有生成緩沖式脈沖系列、對相同的采樣時間進行定時、相關時間戳記、以及采樣速率的瞬間改變 。
NI-TIO也是一種針對計時應用特定設計的定制的ASIC。它將所有的DAQ-STC計數器/計時器的功能進行合并，并且還加入了新的特點，如自身編碼器的兼容性、消除反沖過濾器和兩個信號的邊緣分離測量。
圖7.自動潤滑檢測應用（應用了一個SCXI機箱和在Macintosh上運行的LabVIEW）
原創作者：武漢天罡科技發展有限責任公司
