NI数据采集:精度和性能差异
内容
30多年来，NI基于PC的数据采集(DAQ)设备为精度和性能树立了标准。测量精度是设计数据采集应用程序时最重要的考虑因素之一。同样重要的是系统的整体性能，包括I/O采样率、吞吐率和延迟。对于大多数工程师和科学家来说，牺牲精度以获取吞吐率性能或采样率以获取分辨率是不可取的。深耕多年，NI已开发出多项关键技术，旨在最大限度地提高测量的绝对精度，同时在基于PC的数据采集领域（包括PCI、PXI、USB以及无线）提供业界领先的性能。
NI-MCal:通过三阶多项式自校准
NI-MCal是基于软件的校准算法，可生成三阶多项式来校正三种最常见的测量误差源，即偏移、增益和非线性。当前大多数数据采集设备执行某种形式的自校准，其中板载电压和接地参考用于确定模数转换器(ADC)引入的偏移和增益误差。但是，许多数据采集供应商忽视了ADC是一个非线性系统。如果不考虑这一点，可能会在测量中引入重大误差，尤其是在设备的最大和最小测量范围。
图1.除了修正增益和偏移误差，NI-MCal还使用高级软件算法修正每个ADC的固有非线性。
NI-MCal使用软件对ADC的非线性进行特性分析，生成三阶多项式以将ADC的数字输出精确转换为电压数据。具体来说，NI-MCal使用抖动平均技术“平滑”ADC的传输曲线，并通过一组三阶多项式系数线性化ADC传输函数。每次执行自校准时，NI-MCal都会为数据采集设备的每个输入范围重复该过程，并将结果存储在板载EEPROM中。扫描列表中的每个通道都返回已校准的数据，即使它们位于不同的输入范围。
NI-PGIA 2：快速、准确的测量
仅次于ADC，可编程增益仪表放大器(PGIA)是数据采集设备的第二大组件。PGIA使用不同的增益设置向ADC提供换算后的电压信号，以最大化数据采集设备的分辨率。大多数现成PGIA未针对数据采集应用进行优化，因为其稳定时间过长。稳定时间是放大后的信号达到指定精度所需的时间。使用单个设备以不同电压电平扫描多个通道时，此规范至关重要，因为更短的稳定时间可在不影响精度的情况下提高采样率。
图2.相比传统NI-PGIA和现成PGIA，NI-PGIA 2在数据采集设备上相邻两个通道间进行20 V步进后，稳定时间明显缩短。
NI M系列设备上的NI-PGIA 2自定义放大器设计采用了与ADC相匹配的全平衡信号路径。NI-PGIA 2技术即使在设备的最大采样率下也能尽可能缩短稳定时间并保持指定的分辨率，从而提高精度和性能。上图2显示了高速NI-PGIA 2在20 V步进后在1.5 µs内稳定为零误差（最坏情况）。
隔离
许多NI DAQ设备包含不同级别的电气隔离，以提高测量精度和设备性能。在测量系统中，“隔离”意味着传感器信号可能受到来自测量系统低电压背板的高压瞬态和噪声的影响，而电气隔离和机械隔离可以隔绝这些干扰。隔离具有多种优势，包括保护昂贵的设备、用户和数据免受有害瞬态电压的影响、提高抗噪性、移除接地回路以及增强共模电压抑制。
图3.隔离可将潜在危险信号与测量系统的低压后端隔离，从而提供保护并提高抗噪性。
隔离的NI DAQ设备为模拟和/或数字前端和设备背板提供单独的接地平面，将传感器测量与系统的其他部分隔开。隔离前端的接地为浮动引脚，可以在与接地不同的电势下工作。接地和测量系统接地之间的任何共模电压均被抑制（在设备工作电压规范内）。隔离还可防止形成接地回路，有助于减少测量信号的噪声。DAQ设备可以按通道、通道组或整个系统进行隔离。
NI信号流
认识到测量应用的多样性，National Instruments采用独立于特定PC总线技术的数据采集方法。可使用相同的NI-DAQmx API在PCI、PCI Express、PXI、PXI Express、USB、以太网和Wi-Fi之间进行通信。由于这些总线具有不同的可移植性、吞吐率和延迟功能，NI信号流技术为用户抽象了不同架构编程的复杂性。例如，NI信号流克服了USB传输带来的低吞吐率和高延迟，使有线USB DAQ设备的双向波形流成为可能。
图4.NI USB DAQ设备的NI信号流包括自定义硬件和软件接口，用于在总线上传输连续的双向波形数据。
为USB开发的相同技术也适用于其他仪器总线，包括以太网和IEEE 802.11 (Wi-Fi)。结果是，可将为PCI DAQ设备开发的应用程序（甚至是高速应用程序）改用于USB或无线DAQ设备，而无需对软件进行任何更改。因此，NI DAQ性能与使用的特定总线无关。