NI-Datenerfassung: Der Unterschied zwischen Genauigkeit und Leistung

Seit mehr als 30 Jahren setzen PC-basierte Datenerfassungsgeräte von NI Maßstäbe für Genauigkeit und Leistung. Die Messgenauigkeit ist wohl einer der wichtigsten Aspekte bei der Entwicklung von Anwendungen zur Datenerfassung. Ebenso wichtig ist jedoch die Gesamtleistung des Systems, einschließlich I/O-Sample-Raten, Durchsatz und Latenz. Für die meisten Ingenieure und Wissenschaftler ist es keine Option, Genauigkeit für die Durchsatzleistung oder Sample-Rate für die Auflösung zu opfern. Durch jahrelange Erfahrung hat NI mehrere Schlüsseltechnologien entwickelt, um die absolute Genauigkeit Ihrer Messungen zu maximieren und gleichzeitig branchenführende Leistung bei der PC-basierten Datenerfassung von PCI über PXI und USB bis hin zu Wireless zu bieten.

Bei NI-MCal handelt es sich um einen softwarebasierten Kalibrieralgorithmus, der ein Polynom dritter Ordnung erzeugt, um die drei häufigsten Fehlerquellen bei der Messung zu beheben: Offset, Verstärkung und Nichtlinearität. Die meisten Datenerfassungsgeräte führen heute eine Art Selbstkalibrierung durch, bei der Onboard-Spannung und Massereferenzen verwendet werden, um die Offset- und Verstärkungsfehler zu bestimmen, die durch den A/D-Wandler (ADC) verursacht werden. Viele Datenerfassungsanbieter übersehen jedoch, dass ein A/D-Wandler ein nicht lineares System ist. Wird dies nicht berücksichtigt, kann es zu erheblichen Messfehlern kommen, insbesondere im maximalen und minimalen Messbereich des Geräts.

Abbildung 1: Zusätzlich zur Korrektur von Verstärkungs- und Offset-Fehlern verwendet NI-MCal einen fortgeschrittenen Softwarealgorithmus zur Korrektur der Nichtlinearitäten, die jedem A/D-Wandler innewohnen.

NI-MCal verwendet Software zur Charakterisierung der Nichtlinearität im A/D-Wandler und erzeugt ein Polynom dritter Ordnung, um die digitale Ausgabe des A/D-Wandlers genau in Spannungsdaten umzuwandeln. NI-MCal glättet die CURVE des A/D-Wandlers mit Hilfe eines Dithering- und Mittelwertbildungsverfahrens und linearisiert die A/D-Wandler-Übertragungsfunktion durch eine Reihe von Polynomkoeffizienten dritter Ordnung. Bei jeder Selbstkalibrierung wiederholt NI-MCal diesen Vorgang für jeden Eingangsbereich des Datenerfassungsgeräts und speichert die Ergebnisse im Onboard-EEPROM. Jeder Kanal in einer Scan-Liste gibt kalibrierte Daten aus, auch wenn sie sich in unterschiedlichen Eingangsbereichen befinden.

Nach dem A/D-Wandler ist der Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGIA) das zweitwichtigste Bauelement eines Datenerfassungsgeräts. Der PGIA liefert ein skaliertes Spannungssignal an den A/D-Wandler, wobei unterschiedliche Verstärkungseinstellungen verwendet werden, um die Auflösung des Datenerfassungsgeräts zu maximieren. Die meisten handelsüblichen PGIAs sind nicht für Datenerfassungsanwendungen optimiert, da ihre Einschwingzeiten zu lang sind. Einschwingzeit ist die Zeit, die ein Signal benötigt, das verstärkt wird, um ein bestimmtes Genauigkeitsniveau zu erreichen. Dies ist eine kritische Spezifikation beim Scannen mehrerer Kanäle mit unterschiedlichen Spannungspegeln mit einem Gerät, da eine kürzere Einschwingzeit zu schnelleren Sample-Raten führt, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Abbildung 2: Das NI-PGIA 2 zeigt deutlich bessere Einschwingzeiten gegenüber dem herkömmlichen NI-PGIA und einem handelsüblichen PGIA nach einem 20-V-Schritt zwischen zwei benachbarten Kanälen auf einem Datenerfassungsgerät.

Der benutzerdefinierte NI-PGIA-2-Verstärkerentwurf für Geräte der M-Serie von NI enthält einen vollständig symmetrischen Signalpfad, der mit dem A/D-Wandler gepaart ist. Die NI-PGIA-2-Technologie verbessert die Genauigkeit und steigert die Leistung, indem sie die Einschwingzeit minimiert und die angegebene Auflösung auch bei der maximalen Sample-Rate des Geräts beibehält. In Abbildung 2 sehen Sie, wie sich der Hochgeschwindigkeits-NI-PGIA 2 nach einem 20-V-Schritt in 1,5 μs praktisch auf Null einpendelt (worst-case-Szenario).

Sehen Sie sich ein Video an, wie einfach es ist, Messungen mit einem USB-basierten DAQ-Gerät durchzuführen.

Viele DAQ-Geräte von National Instruments verfügen über eine unterschiedliche elektrische Isolation, um die Messgenauigkeit und Geräteleistung zu verbessern. Durch die Isolation werden Sensorsignale, die Hochspannungstransienten und Rauschen ausgesetzt sein können, elektrisch und physikalisch von der Niederspannungs-Backplane des Messsystems getrennt. Isolation bietet viele Vorteile, darunter Schutz für teure Geräte, den Benutzer und Daten vor schädlichen Transientenspannungen, verbesserte Störfestigkeit, Entfernung von Masseschleifen und erhöhte Gleichtaktspannungsunterdrückung.

Abbildung 3: Durch Isolierung werden potentiell gefährliche Signale vom Niederspannungs-Backend eines Messsystems getrennt, wodurch Schutz und Störfestigkeit verbessert werden.

Isolierte DAQ-Geräte von National Instruments verfügen über separate Masseflächen für analoge und/oder digitale Frontends und die Geräte-Backplane, um die Sensormessungen vom Rest des Systems zu trennen. Der Masseanschluss des isolierten Front-Ends ist ein erdfreier Anschluss, der auf einem anderen Potential als Erde betrieben werden kann. Jede Gleichtaktspannung, die zwischen der Masse und der Masse des Messsystems vorhanden ist, bleibt unberücksichtigt (innerhalb der Arbeitsspannungsspezifikation der Geräte). Isolation verhindert außerdem die Bildung von Masseschleifen und reduziert so das Rauschen in den Messsignalen. DAQ-Geräte können kanalweise, als Kanalgruppen oder als Gesamtsystem isoliert werden.

Hier lernen Sie fünf Möglichkeiten der Isolation kennen, um Messrauschen zu reduzieren

National Instruments erkennt die Vielfalt der Messanwendungen und arbeitet unabhängig von bestimmten PC-Bus-Technologien mit der Datenerfassung. Sie können dieselbe NI-DAQmx-API für die Kommunikation zwischen PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB, Ethernet und Wi-Fi verwenden. Da jeder dieser Busse unterschiedliche Portabilitäts-, Durchsatz- und Latenzfunktionen hat, abstrahiert die NI-Signal-Streaming-Technologie die Komplexität der Programmierung dieser verschiedenen Architekturen vom Benutzer. NI-Signal-Streaming überwindet beispielsweise den geringeren Durchsatz und die höhere Latenz bei USB-Übertragungen, um ein bidirektionales Signalverlaufs-Streaming für ein USB-DAQ-Gerät mit Kabel zu ermöglichen.

Abbildung 4: NI-Signal-Streaming für USB-DAQ-Geräte von NI umfasst benutzerdefinierte Hardware- und Softwareschnittstellen für das Streaming kontinuierlicher bidirektionaler Signalverlaufsdaten über den Bus.

Die gleiche für USB entwickelte Technologie wird auch in anderen Instrumentenbussen wie Ethernet und IEEE 802.11 (Wi-Fi) repliziert. Das Ergebnis ist, dass Sie eine für ein PCI-DAQ-Gerät entwickelte Anwendung (auch eine Hochgeschwindigkeitsanwendung) wiederverwenden können, um stattdessen ein USB- oder drahtloses DAQ-Gerät zu verwenden, ohne Änderungen an der Software vorzunehmen. Somit ist die DAQ-Leistung von National Instruments unabhängig vom verwendeten Bus.

• Weitere Informationen zu Multifunktions-I/O-Hardware von NI