如何​为​测量​系统​选择​正确​的​DAQ​硬件

概览

​可供​选择​的​数据​采集​(DAQ)​设备​数​不胜​数,​因此​为​应用​选择​合适​的​设备​并不​容易。​本​技术​白皮书​总结​了​在​选择​硬件​时​应当​要​提出​的​5​个​问题。

选择​正确​DAQ​硬件​的​5​个​问题

  1. 我​需要​测量​或​生成​什么​类型​的​信号?
  2. 我​是否​需要​信号​调理?
  3. 我​需要​以​多​快​的​速度​采集​或​生成​信号​样本?
  4. 需要​检测​的​信号​中的​最小​变化​是​多少?
  5. 我的​应用​可​允许​多大​的​测量​误差?

 

1.​我​需要​测量​或​生成​什么​类型​的​信号?

不同​类型​的​信号​所需​的​测量​或​生成​方式​也​不尽​相同。传感器(或​换​能​器)​是​一种​将​物理​现象​转换​为​可​测量​的​电信​号​(如​电压​或​电流)​的​设备。​您​也可以​向​传感器​发送​一个​可​测量​的​电信​号,​来​生成​物理​现象。​出于​这个​原因,​了解​不同​类型​的​信号​及其​相应​的​属性​是​很​重要​的。​根据​应用​中的​信号,​您​便​可以​开始​考虑​要​使用​哪​种​DAQ​设备。

DAQ​设备​的​功能

  • 模拟​输入​可​测量​模拟​信号
  • 模拟​输出​可​生成​模拟​信号
  • 数字​输入/​输出​可​测量​和​生成​数字​信号
  • 计数​器/​定​时​器​可​对​数字​事件​进行​计数​或​生成​数字​脉冲/​信号

一些​设备​只​专门​提供​上述​的​某​一种​功能,​而​也​有些​多功能​设备​可以​支持​所有​功能。​您​可以​找到​具有​固定​通道​数​的​单一​功能​的​DAQ​设备,​包括​模拟​输入、​模拟​输出、​数字​输入/​输出​或​计数​器;​但是,​购买​时​应该​考虑​选择​拥有​通道​数​多​于​目前​所需​的​设备,​这样​可以​在​必要​时​增加​通道​数。​如果​您​购买​的​设备​只​具备​满足​当前​应用​的​功能,​那么​将来​硬件​就​很​难​适应​新的​应用。

多功能​DAQ​设备​的​通道​数​固定,​但​提供​模拟​输入、​模拟​输出、​数字​输入/​输出​和​计数​器​的​功能​组合。​多功能​设备​可​支持​不同​类型​的​I/​O,​使​您​有​能力​应对​许多​不同​的​应用​需求,​这​是​单一​功能​的​DAQ​设备​所​做​不到​的。

另​一种​选择​是​模​块​化​平台,​您​可以​根据​自己​的​确切​要求​对​其​进行​定制。​模​块​化​系统​由​控制​定​时​和​同步​的​机​箱​以及​各种​I/​O​模​块​组成。​模​块​化​系统​的​一个​优点​是,​您​可以​选择​功能​各不相同​的​模​块,​因此​可以​实现​更多​的​配置。​基于​这​一​选择,​您​就​可以​使用​不同​的​模​块​来​执行​不同​的​任务,​且​精度​要​比​使用​一台​多功能​设备​要​高​得​多。​模​块​化​系统​的​另​一个​优点​是​可以​针对​您​的​机​箱​选择​插​槽​的​数量。​虽然​机​箱​的​插​槽​数量​是​固定​的,​但​您​可以​购买​插​槽​数​超出​目前​所需​数量​的​机​箱,​方便​在​未来​进行​扩展。

 

2.​我​是否​需要​信号​调理?

典型​的​通用​型​DAQ​设备​可以​测量​或​生成​+/-5 V​或​+/-10 V​的​信号。​但是​某些​传感器​所​生成​的​信号​难以​测量​或​测量​时​有​安全​隐患,​就​无法​使用​这种​类型​的​DAQ​设备​直接​测量。​而且​大​多数​传感器​生成​的​信号​都​需要​先​进行​调理​(如​放大​或​滤波),​才能​被​DAQ​设备​有效​且​准确​地​测量。

例如,​热电​偶​输出​的​信号​在​mV​范围​内,​这​就​需要​先​将​信号​放大,​才能​输出​到​模数​转换​器​(ADC)​进行​有效​的​转换。​此外,​热电​偶​测量​的​信号​经过​低​通​滤波,​可以​消除​高​频​噪声。​相对​单独​的​DAQ​设备​而言,​信号​调理​提供​了​一种​独特​的​优势,​因为​它​可以​提高​DAQ​系统​的​性能​和​测量​精度。

表​1​总结​了​不同​类型​传感器​和​测量​常见​的​信号​调理。

  放大 衰减 隔离 滤波 激励 线性化 CJC 桥​补全
热电偶 x     x   x x  
热​敏​电阻 x     x x x    
RTD x     x x x    
应变计 x     x x x   x
载​荷、​压力、​扭矩​(mV/​V,​4-20 mA) x     x x x    
x     x x x    
加速度计 x     x x x    
麦克风 x     x x x    
接近​式​探头 x     x x x    
LVDT/​RVDT x     x x x    
高​电压   x x          


​表​1.​不同​类型​传感器​和​测量​的​信号​调理

如果​表​1​列出​了​您​的​传感器,​则​应该​考虑​使用​信号​调理。​您​可以​添加​外部​信号​调理,​也可以​使用​具有​内​置​信号​调理​功能​的​DAQ​设备。​许多​设备​还​包括​特定​传感器​的​内​置​连接,​以​方便​传感器​集成。

 

3.​我​需要​以​多​快​的​速度​采集​或​生成​信号​样本?

对​DAQ​设备​而言,​采样​率​是​最​重要​的​技术​参数​之一,​它是​指​DAQ​设备​的​模数​转换​器​采集​信号​样本​的​速度。​典型​的​采样​率​是​硬件​或​软件​定​时​的,​最高​可达​2 MS/​s。​应用​的​采样​率​取决​于​要​测量​或​生成​的​信号​的​最大​频率​分量。

奈​奎​斯​特定理指出,​以​两​倍​于​原始​信号​最高​频率​分量​的​速率​进行​采样​可以​准确​地​重​构​信号。​但​实际​上​采样​速率​应​至少​达到​最大​频率​的​10​倍,​才能​正确​再现​信号​的​形状。​因此,​选择​采样​速率​至少​是​信号​频率​10​倍​的​DAQ​设备,​可​确保​测​得​或​生成​更​准确​的​信号。

例如,​假设​在​应用​中,​我们​要​测量​频率​为​1 kHz​的​正弦波。​根据​奈​奎​斯​特定​理,​必须​至少​在​2 kHz​下​进行​采样,​但​强烈​建议​在​10 kHz​下​进行​采样,​这样​可​测​得​或​生成​更​准确​的​信号。​图​1​对比​了​在​2 kHz​和​10 kHz​下​测​得​的​1 kHz​正弦波。

在10 kHz和2 kHz下测得的1 kHz正弦波

图​1.​在​10 kHz​和​2 kHz​下​测​得​的​1 kHz​正弦波

因此,​只需​知道​要​测量​或​生成​的​信号​的​最大​频率​分量,​便可​为​应用​选择​相应​采样​率​的​DAQ​设备。

 

4.​需要​检测​的​信号​中的​最小​变化​是​多少?

信号​中​可​检测​到​的​最小​变化​决定​了​DAQ​设备​所需​的​分辨​率。​分辨​率​是​指​模数​转换​器​可​用于​表示​信号​的​二​进制​位​数。​为了​说明​这​一点,​假设​让​正弦波​通过​具有​不同​分辨​率​的​模数​转换​器,​那么​如何​表示​它?​图​2​比较​了​3​位​模数​转换​器​和​16​位​模数​转换​器。​3​位​模数​转换​器​可以​表示​八​(23)​个​离散​电压​电​平。​16​位​模数​转换​器​可以​表示​65,536(216)​个​离散​电压​电​平。​用​3​位​分辨​率​表示​的​正弦波​更像​是​一个​阶​跃​函数,​而​16​位​模数​转换​器​的​正弦波​则​能​很​清晰​地​看​出来​是​正弦波。

 

16位分辨率和3位分辨率ADC生成的正弦波图

图​2. 16​位​分辨​率​和​3​位​分辨​率​ADC​生成​的​正弦波图

一般​DAQ​设备​的​电压​范围​是​+/-5 V​或​+/-10 V。​可​表示​的​电压​电​平​在​选定​的​范围​上​均匀​分布,​以​利用​整个​分辨​率。​例如,​范围​是​+/-10 V​并且​分辨​率​为​12​位​(212或​4,096​个​均匀​分布​的​电​平)​的​DAQ​设备​可以​检测​5 mV​的​变化,​而​分辨​率​为​16​位​(216或​65,536​个​均匀​分布​的​电​平)​的​设备​可以​检测​300 µV​的​变化。​分辨​率​为​12、​16​或​18​位​的​设备​能​满足​很多​应用​的​要求。​但是,​如果​测量​的是​电压​范围​更​小​或​更大​的​传感器,​使用​分辨​率​为​24​位​的​设备​提供​的​动态​数据​范围​可能​会​很有​好处。​因此,​为​应用​选择​合适​的​设备​时,​应​主要​考虑​应用​所需​的​电压​范围​和​分辨​率。

 

5.​我的​应用​可​允许​多大​的​测量​误差?

精度​是​一个​度量​项,​反映​了​仪器如实指示​被​测量​信号​的​值​的​能力。​这个​术语​与​分辨​率​无关,​但是​仪器​的​精度​永远​不可能​高于​分辨​率。​如何​定义​测量​的​精度​取决​于​测量​设备​的​类型。​理想​的​仪器​总是​可以​十分​确定​地​测量​真实​值,​但在​现实​情况​下,​仪器​报告​的​值​存在​不​确定​性​(由​制造​商​定义)。​这种​不​确定​性​可能​取决​于​多种​因素,​如​系统​噪声、​增益​误差、​偏移​误差​和​非线性。​描述​仪器​不​确定​性的​常见​参数​是​绝对​精度。​这个​参数​定义​了​指定​范围​内​DAQ​设备​的​最大​误差。​NI​多功能​设备​的​绝对​精度​的​计算​范​例​如下所示:

绝对​精度​=([读​数​*​增益​误差] + [电压​范围​*​偏移​误差] +噪声​不​确定​度)
绝对​精度=2.2 mV

注意,​仪器​的​精度​不仅​取决​于​仪器,​还​取决​于​要​测量​的​信号​的​类型。​如果​正在​测量​的​信号​有​噪声,​测量​的​精度​会​降低。​DAQ​设备​有​很多,​它们​的​精度​和​价格​各不相同。​一些​设备​可能​提供​自​校准、​隔离​和​其他​电路​来​提高​精度。​如果​基本​DAQ​设备​可以​提供​的​绝对​精度​超过​100 mV,​那么​具有​此类​功能​的​更​高性能​的​设备​可​提供​大约​1 mV​的​绝对​精度。​了解​精度​要求​后,​您​可以​选择绝对​精度​符合​您​的​应用​需求的​DAQ​设备。

 

下一步: