Acquisition de données NI : La différence de précision et de performance

Depuis plus de 30 ans, les périphériques d’acquisition de données (DAQ) basés sur PC NI définissent la norme en matière de précision et de performances. La précision des mesures est sans doute l’une des considérations les plus importantes dans la conception de toute application d’acquisition de données. Cependant, les performances globales du système, notamment les fréquences d’échantillonnage, le débit et la latence des E/S, sont tout aussi importantes. Pour la plupart des ingénieurs et des scientifiques, sacrifier la précision pour les performances de débit ou la fréquence d’échantillonnage pour la résolution n’est pas une option. Grâce à des années d’expérience, NI a développé plusieurs technologies clés pour maximiser la précision absolue de vos mesures tout en offrant des performances de pointe dans l’acquisition de données basée sur PC du PCI au PXI et de l’USB au sans fil.

NI-MCal est un algorithme d'étalonnage logiciel qui génère un polynôme de troisième ordre pour corriger les trois sources d'erreur de mesure les plus courantes : offset, gain et non-linéarité. La plupart des périphériques d’acquisition de données effectuent aujourd’hui une forme d’auto-étalonnage au cours duquel des références de tension et de masse embarquées sont utilisées pour déterminer les erreurs d’offset et de gain introduites par le convertisseur analogique-numérique (CAN). Cependant, de nombreux fournisseurs d’acquisition de données négligent le fait qu’un convertisseur analogique-numérique est un système non linéaire. Ne pas en tenir compte peut introduire des erreurs importantes dans une mesure, en particulier aux gammes de mesure maximale et minimale du périphérique.

Figure 1. En plus de corriger les erreurs de gain et d’offset, NI-MCal utilise un algorithme logiciel avancé pour corriger les non-linéarités inhérentes à chaque CAN.

NI-MCal utilise un logiciel pour caractériser la non-linéarité dans le CAN, générant un polynôme de troisième ordre pour traduire avec précision la sortie numérique du CAN en données de tension. Plus précisément, NI-MCal « lisse » la courbe de transfert du CAN en utilisant une technique de dithering et de moyennage, et linéarise la fonction de transfert du CAN via un ensemble de coefficients polynomiaux de troisième ordre. Chaque fois qu'un auto-étalonnage est effectué, NI-MCal répète cette procédure pour chaque gamme d'entrée du périphérique d'acquisition de données et enregistre les résultats dans la mémoire morte effaçable et programmable électriquement embarquée. Chaque voie d'une liste de balayage renvoie des données étalonnées, même si elles se trouvent à des gammes d'entrée différentes.

Après le CAN, l’amplificateur d’instrumentation à gain programmable (PGIA) est la deuxième pièce la plus importante d’un périphérique d’acquisition de données. Le PGIA fournit un signal de tension mis à l'échelle au CAN en utilisant différents paramètres de gain pour maximiser la résolution du périphérique d'acquisition de données. La plupart des PGIA prêts à l’emploi ne sont pas optimisés pour les applications d’acquisition de données car leurs temps de stabilisation sont trop longs. Le temps de stabilisation est le temps nécessaire pour qu'un signal amplifié atteigne un niveau de précision spécifié. C'est une spécification critique lors du balayage de plusieurs voies à différents niveaux de tension avec un seul périphérique, car un temps de stabilisation plus court conduit à des fréquences d'échantillonnage plus rapides sans sacrifier la précision.

Figure 2. Le NI-PGIA 2 présente des temps de stabilisation nettement meilleurs que l’ancien NI-PGIA et un PGIA prêt à l’emploi suite à un incrément de 20 V entre deux voies adjacentes sur un périphérique d’acquisition de données.

La conception d'amplificateur personnalisé NI-PGIA 2 sur les périphériques NI de la Série M intègre un chemin de signal entièrement équilibré associé au CAN. La technologie NI-PGIA 2 améliore la précision et les performances en minimisant le temps de stabilisation et en maintenant la résolution spécifiée, même à la fréquence d'échantillonnage maximale du périphérique. La figure 2 ci-dessus montre que le NI-PGIA 2 haute vitesse atteint pratiquement zéro erreur en 1,5 μs après une étape de 20 V (dans le pire des cas).

Regardez une vidéo montrant comment il est facile de prendre une mesure avec un périphérique DAQ basé sur USB

De nombreux périphériques DAQ National Instruments incluent différents niveaux d'isolation électrique pour améliorer la précision des mesures et les performances du périphérique. Dans le contexte d'un système de mesure, l’isolation consiste à séparer électriquement et physiquement les signaux de capteur, qui peuvent être exposés à des transitoires haute tension et au bruit, du fond de panier basse tension du système de mesure. L’isolation offre de nombreux avantages, notamment une protection pour les équipements coûteux, l’utilisateur et les données contre les tensions transitoires nocives, une meilleure immunité au bruit, la suppression de la boucle de masse et une réjection accrue de la tension de mode commun.

Figure 3. L'isolation sépare les signaux potentiellement dangereux de l'extrémité arrière basse tension d'un système de mesure et, ce faisant, fournit une protection et améliore l'immunité au bruit.

Les périphériques DAQ National Instruments isolés fournissent des plans de masse distincts pour les frontaux analogiques et/ou numériques et le fond de panier du périphérique afin de séparer les mesures du capteur du reste du système. La mise à la terre de l’extrémité frontale isolée est une broche flottante qui peut fonctionner à un potentiel différent de celui de la terre. Toute tension de mode commun qui existe entre la masse et la masse du système de mesure est rejetée (dans les spécifications de tension de fonctionnement des périphériques). L'isolation empêche également la formation de boucles de masse, ce qui contribue à réduire le bruit dans les signaux de mesure. Les périphériques DAQ peuvent être isolés par voie, comme groupes de voies ou comme système complet.

Découvrez cinq façons dont l’isolation peut réduire le bruit de mesure

Conscient de la diversité des applications de mesure, National Instruments aborde l'acquisition de données indépendamment des technologies de bus de PC spécifiques. Vous pouvez utiliser la même API NI-DAQmx pour communiquer via PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB, Ethernet et Wi-Fi. Étant donné que chacun de ces bus a des capacités de portabilité, de débit et de latence différentes, la technologie NI Signal Streaming soustrait la complexité de la programmation de ces différentes architectures à l’utilisateur. Par exemple, NI Signal Streaming surmonte le débit plus faible et la latence plus élevée associés aux transferts USB pour rendre le streaming waveform bidirectionnel possible pour un périphérique DAQ USB câblé.

Figure 4. NI Signal Streaming pour les périphériques DAQ USB NI inclut des interfaces matérielles et logicielles personnalisées pour diffuser des données waveform bidirectionnelles continues sur le bus.

La même technologie développée pour l’USB est également reproduite sur d’autres bus d’instrumentation, y compris Ethernet et IEEE 802.11 (Wi-Fi). Le résultat est que vous pouvez réutiliser une application développée pour un périphérique PCI DAQ (même une application haute vitesse) pour utiliser un périphérique DAQ USB ou sans fil sans apporter de modifications au logiciel. Par conséquent, les performances DAQ de National Instruments sont indépendantes du bus utilisé.

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