数据采集(DAQ)基础知识

　　数据采集硬件

　　模拟输入

　　模拟输入的基本考虑-在模拟输入的技术说明中将给出关于数据采集产品的精度和功能的信息。基本技术说明适用于大部分数据采集产品，包括通道数目、采样速率、分辨率和输入范围等方面的信息。

　　通道数-对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均 以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高(高于1 V)，信号源到模拟输入硬件的导线较短(低于15 ft)，且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线;由于共模噪 声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。

　　采样速率-这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。

　　多路复用-多路复用是使用单个模数转换器来测量多个信号的一种常用技术。要了解更多关于多路复用的信息，请参看此文的“信号调理”章节。

　　分辨率-模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越 小。图3显示了一个正弦波和使用一个理想的3位模数转换器所获得相应数字图像。一个3位变换器(此器件在实际中很少用到，在此处是为了便于说明)可以把模 拟范围分为23，或8个区间。

　　每一个区间都由在000至111内的一个二进制码来表示。很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法，这是由于在转换过程中会丢失信 息。然而，当分辨率增加至16位时，模数转换器的编码数目从8增长至65,536，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，您可以对模拟信 号进行非常准确的数字化。

　　图3 . 三位分辨率下正弦波的数字化

　　量程-量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。NI公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，您可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。

　　编码宽度-数据采集设备上可用的量程、分辨率和增益决定了最小可探测的电压变化。此电压变化代表了数字值上的最低有效位 1(LSB)，也常被称为编码宽度。理想的编码宽度为电压范围除以增益和2的分辨率次幂的乘积。例如，NI的一种16位多功能数据采集设备——NI 6030E，，它可供选择的范围为0～10V或-10～10V;可供选择的增益：1，2，5，10，20，50或100。当电压范围为0～10V，增益为 100时，理想的编码宽度由以下公式决定：

　　模拟输入的重要因素-尽管前面所提到的数据采集设备具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采样率这样的基本指标，但是您可能无法在16个通道上进行全速采样，或者得不到满16位的精度。例如，目前市场上的某些带有16位ADC的产品所 得到的有效数据要低于12位。为了确定您所要用的设备是否能满足您所期待的结果，请仔细审查那些超出产品分辨率的技术指标。

　　评估数据采集产品时，还需要考虑微分非线性度(DNL)、相对精度、仪用放大器的稳定时间和噪声等。

　　微分非线性度(DNL)——在理想情况下，当您提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应该线性增加。如果您对 一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘出的线应是一条直线。这条理想直线的离差被定义为非线性度。DNL是指以LSB为测量单位，和1LSB 理想值的最大离差。一个理想的数据采集设备的DNL值为0，一个好的数据采集设备的DNL值应在±0.5 LSB以内。

　　对于一个编码应该有多宽，我们没有更多的限制。编码不会比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一个性能较差的数据采集设备可能有一个等于或非常接近零的编码宽度，这意味着会有一个丢失码。对一个有丢 失码的数据采集设备无论输入什么电压，设备都无法将此电压量化为丢失码