Adquisición de datos NI: La precisión y la diferencia de rendimiento

Durante más de 30 años, los dispositivos de adquisición de datos basados en PC de NI han establecido el estándar de precisión y rendimiento. La precisión de la medición es posiblemente una de las consideraciones más importantes en el diseño de cualquier aplicación de adquisición de datos. Sin embargo, es igual de importante el rendimiento general del sistema, incluidas las tasas de muestreo de E/S, el rendimiento y la latencia. Para la mayoría de los ingenieros y científicos, sacrificar la precisión por el rendimiento o la tasa de muestreo por la resolución no es una opción. A través de años de experiencia, NI ha desarrollado varias tecnologías clave para maximizar la precisión absoluta de sus mediciones, al tiempo que ofrece un rendimiento líder en la industria en la adquisición de datos basada en PC desde PCI a PXI y de USB a tecnología inalámbrica.

NI-MCal es un algoritmo de calibración basado en software que genera un polinomio de tercer orden para corregir las tres fuentes más comunes de error de medición: offset, ganancia y no linealidad. La mayoría de los dispositivos de adquisición de datos de hoy en día realizan alguna forma de autocalibración durante la cual se utilizan referencias de voltaje y tierra integradas para determinar los errores de offset y ganancia introducidos por el convertidor analógico-digital (ADC). Sin embargo, muchos proveedores de adquisición de datos pasan por alto el hecho de que un ADC es un sistema no lineal. No tener en cuenta esto puede introducir errores significativos en una medición, especialmente en los rangos de medición máximo y mínimo del dispositivo.

Figura 1. Además de corregir los errores de ganancia y offset, NI-MCal utiliza un algoritmo de software avanzado para corregir las no linealidades inherentes a cada ADC.

NI-MCal utiliza software para caracterizar la no linealidad en el ADC, generando un polinomio de tercer orden para traducir con precisión la salida digital del ADC en datos de voltaje. Específicamente, NI-MCal “suaviza” la curva de transferencia del ADC usando una técnica de dithering y promediado, y linealiza la función de transferencia del ADC a través de un conjunto de coeficientes polinómicos de tercer orden. Cada vez que se realiza la autocalibración, NI-MCal repite este procedimiento para cada rango de entrada del dispositivo de adquisición de datos y almacena los resultados en la memoria eléctrica borrable y programable (EEPROM) a bordo. Cada canal de una lista de escaneo devuelve datos calibrados, incluso si están en diferentes rangos de entrada.

Después del ADC, el amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA) es la segunda pieza más importante de un dispositivo de adquisición de datos. El PGIA entrega una señal de voltaje escalada al ADC utilizando diferentes ajustes de ganancia para maximizar la resolución del dispositivo de adquisición de datos. La mayoría de los PGIAs comerciales no están optimizados para aplicaciones de adquisición de datos, porque sus tiempos de establecimiento son demasiado largos. El tiempo de establecimiento es la cantidad de tiempo requerida para que una señal que se está amplificando alcance un nivel especificado de precisión. Esta es una especificación crítica cuando se escanean múltiples canales a diferentes niveles de voltaje con un solo dispositivo, porque un tiempo de establecimiento más corto conduce a tasas de muestreo más rápidas sin sacrificar la precisión.

Figura 2. El NI-PGIA 2 muestra tiempos de establecimiento significativamente mejores que el NI-PGIA heredado y un PGIA listo para usar después de un escalón de 20 V entre dos canales adyacentes en un dispositivo de adquisición de datos.

El diseño del amplificador personalizado NI-PGIA 2 en los dispositivos de la M Series de NI incorpora una ruta de señal completamente equilibrada emparejada con el ADC. La tecnología NI-PGIA 2 mejora la precisión y aumenta el rendimiento al minimizar el tiempo de establecimiento y mantener la resolución especificada incluso a la velocidad de muestreo máxima del dispositivo. La figura 2 muestra el NI-PGIA 2 de alta velocidad estabilizándose en error prácticamente cero en 1,5 μs después de un escalón de 20 V (el peor escenario).

Vea un video de lo fácil que es tomar una medición con un dispositivo DAQ basado en USB

Muchos dispositivos DAQ de National Instruments incluyen diferentes niveles de aislamiento eléctrico para mejorar la precisión de la medición y el rendimiento del dispositivo. En el contexto de un sistema de medición, por “aislamiento” se entiende separar eléctrica y físicamente las señales de sensor, que pueden estar expuestas a transitorios de alto voltaje y ruido, del panel trasero de bajo voltaje del sistema de medición. El aislamiento ofrece muchos beneficios, incluida la protección para equipos costosos, el usuario y los datos contra tensiones transitorias dañinas; mejor inmunidad al ruido; eliminación del bucle de tierra; y mayor rechazo de voltaje en modo común.

Figura 3. El aislamiento separa las señales potencialmente peligrosas de la etapa posterior de baja tensión de un sistema de medición, y al hacerlo proporciona protección y mejora la inmunidad al ruido.

Los dispositivos DAQ de National Instruments aislados proporcionan planos de tierra separados para los extremos frontales analógicos o digitales y el panel trasero del dispositivo para separar las mediciones del sensor del resto del sistema. La conexión a tierra del panel frontal aislado es un pin flotante que puede operar a un potencial diferente al de la tierra. Se rechaza cualquier voltaje en modo común que exista entre la tierra y la tierra del sistema de medición (dentro de la especificación de voltaje de trabajo de los dispositivos). El aislamiento también evita que se formen bucles de tierra, lo que ayuda a reducir el ruido en las señales de medición. Los dispositivos DAQ pueden aislarse por canal, como grupos de canales o como un sistema completo.

Aprenda cinco maneras en que el aislamiento puede reducir el ruido de medición

Reconociendo la diversidad de aplicaciones de medición, National Instruments aborda la adquisición de datos independientemente de las tecnologías específicas de bus para PC. Puede usar la misma API NI-DAQmx para comunicarse a través de PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB, Ethernet y Wi-Fi. Debido a que cada uno de estos buses tiene diferentes capacidades de portabilidad, rendimiento y latencia, la tecnología de transmisión de señales de NI abstrae la complejidad de programar estas diferentes arquitecturas al usuario. Por ejemplo, la transmisión de señales NI supera el menor rendimiento y la mayor latencia asociados con las transferencias USB para hacer posible la transmisión bidireccional de formas de onda para un dispositivo DAQ USB con cable.

Figura 4. La transmisión de señales NI para dispositivos DAQ USB de NI incluye interfaces de hardware y software personalizadas para transmitir datos de forma de onda continua y bidireccional a través del bus.

La misma tecnología desarrollada para USB también se replica en otros buses de instrumentación, incluidos Ethernet e IEEE 802.11 (Wi-Fi). El resultado es que puede reutilizar una aplicación desarrollada para un dispositivo DAQ PCI (incluso una aplicación de alta velocidad) para usar un dispositivo DAQ USB o inalámbrico sin realizar ningún cambio en el software. Por lo tanto, el rendimiento de los dispositivos DAQ de National Instruments es independiente del bus particular en uso.

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