NI 데이터 수집: 정확도와 성능의 차이
내용
NI PC 기반 데이터 수집 (DAQ) 디바이스는 30년 이상 정확도와 성능의 표준을 제시해 왔습니다. 측정 정확도는 모든 데이터 수집 어플리케이션을 설계할 때 가장 중요한 고려사항 중 하나입니다. 그러나 I/O 샘플링 속도, 처리량, 지연을 포함한 시스템의 전체 성능도 중요합니다. 대부분의 엔지니어와 과학자들은 처리량 성능을 위해 정확도를 희생하거나 분해능을 위해 샘플링 속도를 희생하는 것이 옵션이 아닙니다. NI는 다년간의 경험을 바탕으로, PCI에서 PXI까지, USB에서 무선까지 PC 기반 데이터 수집 분야에서 업계 최고의 성능을 제공하는 동시에 측정의 절대 정확도를 극대화하는 몇 가지 핵심 기술을 개발했습니다.
NI-MCal: 3차 다항식을 통한 자기 교정
NI-MCal은 3차 다항식을 생성하여 오프셋, 게인, 비선형성이라는 3가지 측정 에러의 가장 일반적인 소스를 수정하는 소프트웨어 기반 교정 알고리즘입니다. 현재 대부분의 데이터 수집 디바이스는 내장 전압과 접지 참조를 사용하여 아날로그-디지털 변환기 (ADC)에 의해 발생하는 오프셋과 게인 에러를 결정하는 일종의 자기 교정을 수행합니다. 그러나 많은 데이터 수집 공급업체는 ADC가 비선형 시스템이라는 사실을 무시합니다. 이를 고려하지 않으면 특히 디바이스의 최대 및 최소 측정 범위에서 측정에 상당한 에러가 발생할 수 있습니다.
그림 1. NI-MCal은 게인 및 오프셋 에러를 수정하는 것 외에도 고급 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 모든 ADC에 내재된 비선형성을 수정합니다.
NI-MCal은 소프트웨어를 사용하여 ADC의 비선형성을 특성화하고, 3차 다항식을 생성하여 ADC의 디지털 출력을 정확하게 전압 데이터로 변환합니다. 특히, NI-MCal은 디더링 및 평균값 연산 기술을 사용하여 ADC의 전달 곡선을 "평활화"하고, 3차 다항식 계수 세트를 통해 ADC 전달 함수를 선형화합니다. 자기 교정을 수행할 때마다 NI-MCal은 데이터 수집 디바이스의 각 입력 범위에 대해 이 과정을 반복하고 결과를 내장 EEPROM에 저장합니다. 스캔 리스트의 모든 채널은 다른 입력 범위에 있더라도 교정된 데이터를 반환합니다.
NI-PGIA 2: 빠르고 정확한 측정
ADC 이후, 프로그래머블 게인 계측 증폭기 (PGIA)는 데이터 수집 디바이스에서 두 번째로 중요한 부분입니다. PGIA는 다양한 게인 셋팅을 사용하여 스케일된 전압 신호를 ADC에 전달함으로써 데이터 수집 디바이스의 분해능을 극대화합니다. 대부분의 기성 PGIA는 안정 시간이 너무 길기 때문에 데이터 수집 어플리케이션에 최적화되어 있지 않습니다. 안정 시간은 신호가 지정된 정확도 레벨에 도달하기 위해 증폭되는 데 필요한 시간입니다. 이것은 단일 디바이스로 다양한 전압 레벨에서 여러 채널을 스캔할 때 매우 중요한 스펙입니다. 안정 시간이 짧아도 정확도가 떨어지지 않고 샘플링 속도가 빨라집니다.
그림 2. NI-PGIA 2는 데이터 수집 디바이스의 인접한 두 채널 간 20 V 스텝 변화 후, 기존 NI-PGIA 및 기성 PGIA에 비해 대폭 개선된 안정 시간을 보여줍니다.
NI M 시리즈 디바이스의 NI-PGIA 2 사용자 증폭기 설계는 ADC와 쌍으로 완전히 균형 잡힌 신호 경로를 통합합니다. NI-PGIA 2 기술은 안정 시간을 최소화하고 디바이스의 최대 샘플링 속도에서도 지정된 분해능을 유지하여 정확도를 향상시키고 성능을 향상시킵니다. 위의 그림 2는 20 V 단계(최악의 시나리오) 후 1.5 μs 내에 거의 제로 에러로 안정되는 고속 NI-PGIA 2를 보여줍니다.
절연
많은 National Instruments DAQ 디바이스에는 측정 정확도와 디바이스 성능을 향상시키기 위해 다양한 레벨의 전기 절연이 포함되어 있습니다. 절연은 측정 시스템의 저전압 백플레인에서 높은 과도 전압과 노이즈에 영향을 받을 수 있는 센서 신호를 전기적으로, 물리적으로 분리합니다. 절연은 비용이 많은 장비, 사용자, 유해한 과도 전압으로부터 데이터를 보호하는 것, 노이즈 방지 향상, 접지 루프 제거, 공통 모드 전압 제거 증가 등 다양한 이점을 제공합니다.
그림 3. 절연은 측정 시스템의 저전압 백엔드에서 잠재적으로 위험한 신호를 분리하여 보호를 제공하고 노이즈 방지를 향상시킵니다.
절연된 National Instruments DAQ 디바이스는 아날로그 및/또는 디지털 프런트엔드 및 디바이스 백플레인을 위한 별도의 접지 평면을 제공하여 시스템의 나머지 부분에서 센서 측정값을 분리합니다. 절연된 프런트 엔드의 접지 연결부는 접지와 다른 전위에서 동작할 수 있는 플로팅 핀입니다. 접지와 측정 시스템 접지 사이에 존재하는 모든 공통 모드 전압은 제거됩니다(디바이스 작동 전압 스펙 내). 또한 절연을 사용하면 접지 루프가 형성되지 않아 측정 신호의 노이즈를 줄일 수 있습니다. DAQ 디바이스는 채널별로, 채널 그룹으로, 또는 완전한 시스템으로 절연될 수 있습니다.
NI 신호 스트리밍
National Instruments는 측정 어플리케이션의 다양성을 인식하고 특정 PC 버스 기술과 관계없이 데이터 수집에 접근합니다. 같은 NI-DAQmx API를 PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB, 이더넷, Wi-Fi 간의 통신에 사용할 수 있습니다. 각 버스의 이동성, 처리량, 지연 시간이 다르기 때문에, NI 신호 스트리밍 기술은 이러한 서로 다른 구조를 프로그래밍할 때의 복잡성을 사용자에게 제외합니다. 예를 들어, NI 신호 스트리밍은 USB 전송과 관련된 낮은 처리량과 높은 지연 시간을 극복하여 케이블로 연결된 USB DAQ 디바이스에 양방향 웨이브폼 스트리밍을 가능하게 합니다.
그림 4. NI USB DAQ 디바이스용 NI 신호 스트리밍에는 버스를 통해 연속적인 양방향 웨이브폼 데이터를 스트리밍할 수 있는 맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어 인터페이스가 포함되어 있습니다.
USB용으로 개발된 동일한 기술은 이더넷 및 IEEE 802.11 (Wi-Fi)을 포함한 다른 계측 버스에서도 복제됩니다. 결과적으로 PCI DAQ 디바이스(고속 어플리케이션까지도)를 위해 개발된 어플리케이션을 소프트웨어를 변경하지 않고도 USB 또는 무선 DAQ 디바이스를 사용하도록 변경할 수 있습니다. 그러므로 National Instruments DAQ 성능은 사용 중인 특정 버스에 관계없이 다릅니다.