本指南与大多数NI规范手册的章节划分相同。下列术语和定义的顺序与规格表的格式相似。本指南仅适用于78xx多功能可重配置I/O设备和模块(正式名称为R系列NI-78xx)。其他NI产品系列(如cDAQ和cRIO机箱与控制器,91xx、92xx、94xx C系列模块,多功能I/O (MIO),数字万用表,示波器/数字化仪和其他仪器)的规范可能会采用不同的术语或方法。因此,除多功能可重配置I/O(R系列)中的设备和模块外,本指南不应用作其他设备和模块的参考。
本指南将始终使用PXIe-7847设备作为参考。如果要同时查看该设备规范,可以访问以下链接:PXIe-7847
首先,请务必注意不同规范之间的绝对差异。NI将其测试和测量仪器的功能与性能定义为“规范”、“典型规范”和“特有规范或补充规范”。有关保证规范或典型规范的更多详细信息,请参阅设备的规范手册。
NI多功能可重配置I/O(R系列)设备和模块可能具有模拟输入、模拟输出或两种系统的混合。一些规范为各子系统的独有规范,但也有一些规范同时适用于两种子系统。本节分为三个部分,涵盖通用规范、特定于模拟输入的规范和特定于模拟输出的规范。
精度是指测量值与正确值的接近程度。全量程绝对精度是假设被测值为给定范围内支持的最大电压,从而计算得出的理论精度。测量的精度会随测量值的变化而变化,因此为了能够在设备之间进行比较,采用全量程精度。请注意,全量程绝对精度会假设环境变量(如25 °C运行环境温度),可能会与实际情况有所不同。
分辨率是指设备或传感器能检测到的输入信号的最小变化。ADC的分辨率由用于表示模拟信号的位数确定。
范例
NI PXIe-7847R是16位设备,即在±5 V范围内可以检测到的最小幅值变化为0.152 mV。在±1 V范围内,该值为30.5 µV。
对于模拟输入,该值为可在保证精度的情况下测量的最大正值和负值。对于模拟输出,该值为可以生成的最大正值或负值。一些设备具有多个输入或输出范围,可用于在较低电平信号上提供更高的分辨率。
范例
NI PXIe-7847R的输入信号范围为±1、±2、±5和±10 V。模拟输出范围为±10 V。
两个电路的接口属性,用于定义从接口的一侧传输到另一侧的信号类型。通常有两种选择:
一些设备具有可选的软件耦合功能,而一些设备则具有交流或直流耦合功能。
范例
NI PXIe-7847R的模拟输入和模拟输出均具有直流耦合功能,不支持交流耦合功能。
也见
交流耦合和直流耦合的基本信息
ADC或DAC的理想步长与输入/输出的实际值之差(通常以LSB为单位)。在理想的ADC或DAC中,差分非线性度为0 LSB。
范例
NI PXIe-7847R的DNL最大值为±0.9 LSB,即对于任何输入ADC的值,实际值与读取的值相差±0.9 LSB。例如,如果用户对ADC进行编程,从而在±5 V的范围内输出1 V的值,则输入(不考虑精度的影响)的范围可以是:
INL是DNL的复合效应,因此INL规范经常用于精度计算中。对于NI PXIe-7847R,AI精度表中的INL规范为±10 V时的42.52 ppm
连续逼近寄存器(SAR)是一种模数转换器,实现二进制搜索算法将连续模拟信号转换为离散数字表示法。
范例
NI PXIe-7847R使用SAR ADC
SAR ADC执行转换时,输入信号必须保持恒定的时间。这通常通过ADC内部的采样和保持电路来完成。
PCI/PCIe、PXI/PXIe或USB每通道可达到的最快数据采集速率。
范例
PXIe-7847R的最大采样率(每通道)为500kS/s。所有R系列板卡同时进行采样(即每通道采样率)。
输入阻抗用以衡量输入电路阻止电流流向模拟输入地的程度。对于理想的ADC,该值应为无穷大,表示没有电流从输入端流向地面,但实际上这是不可能的。有限输入阻抗表示ADC将给电路带来一定程度的负荷,特别是具有高输出阻抗的电路。传感器的输出阻抗通常较低。
范例
NI PXIe-7847R的输入阻抗Zin > 1.25 G Ω,与2 pF电容并联。以最低输入阻抗的最坏情况为例,您可以将单端测量视为以下简化电路,假设传感器的输出阻抗Zout = 150 Ω。
传感器输出和DAQ设备输入的串联组合意味着电压将在两个阻抗值之间分配,其中较大的阻抗将承受大部分电压。这表示,如果该传感器的灵敏度为20 °C/V,并且测量值为100 °C(输出5 V),那么DAQ设备测得的电压将是输出电压乘以输入阻抗与DAQ输入和传感器输出阻抗之和的比值:
0.6 mV的测量差值对应因阻抗而几乎可以忽略的0.012 °C测量误差。
为了说明输入阻抗成为重要规范的示例,以传感器具有极高输出阻抗(如0.625 GΩ)的假设情况为例。将DAQ设备连接到具有这一极高输出阻抗的传感器,会导致传感器的5 V额定输出读取值为3.33 V,或假设的测量误差为33.4 °C。
如果输入阻抗有限,设备需要少量电流才能检测到信号。理论上,该值应为0 A,但实际上这是不可能的。
范例
NI PXIe-7847R的输入偏置电流为±5 nA。这意味着NI PXIe-7847R测量的所有传感器必须能够在其整个电压输出范围内拉电流至少达到此水平,才能正确完成数字化。
进入运算放大器接线端的IB+和IB-之间的差可定义为输入偏移电流。电流差将影响该节点的电压。
模拟输入电路中设有保护二极管,将对大电压进行限制,以免损坏设备的最关键组件,如PGIA或ADC。
最大工作电压是指在其他通道出现数据有效性问题之前,设备在任何模拟输入通道上可以承受的总电压水平。待测信号电压和AI GND有关的任何共模电压之和不应超过此最大工作电压规范,如此可确保其他通道上的精度。请注意,最大工作电压与设备的输入范围无关。
范例
在PXIe-7847R上测量10 Vpk正弦波和2.0 VDC共模,AI配置为±5 V范围时,最大工作电压为±10 V,如下图所示:
两个信号电压之和的峰值为+12.0 V,超出了最大工作电压。
也见
过压保护
输入范围
当放大器的正输入和负输入显示相同的信号时,CMRR会指定最终输出对该信号的抑制量(通常以dB为测量单位)。理想的放大器将消除100%的共模信号,但在实际中无法实现这一点。
范例
NI PXIe-7847R的直流至60Hz的CMRR为-100 dB。这意味着它会将共模电压衰减100,000倍。如果被测信号为5 Vpk正弦波,并且正负输入之间的偏移或常用电压为5 VDC,则最终输出会将5 VDC输入抑制或衰减至5 µV。精度推导中不包含CMRR,如果测得的信号包含共模电压,则应单独考虑CMRR。
衰减小于–3 dB时通过的频率范围。小信号带宽的测试采用的是低压信号,因此不会出现边沿斜率失真。
范例
NI PXIe-7847R的信号带宽较小,为1 MHz。
衰减小于–3 dB时通过的频率范围。使用全功率信号进行大信号带宽测试时,斜率失真是一个因素。
范例
NI PXIe-7847R的信号带宽为500kHz MHz。
测量一个通道上的信号对相邻通道的耦合或影响程度。只要在物理上靠近另一条导线或PCB迹线的导线或PCB迹线上存在幅度变化信号,就会存在串扰。
范例
NI PXIe-7847R的串扰规范为-80 dB,测试范围为直流至100kHz,终端为50 Ω。
对于模拟输出,更新率指定模块产生输出的频率。与最大更新速率密切相关
对于模拟输出,更新速率是指每秒DAC对模拟电压或电流值的采样次数。大多数NI设备在每个模拟输出通道上都有一个DAC,但将共享存储模拟输出数据的FIFO。当在同一设备上使用多个AO通道时,从此FIFO读取数据并将其传输到板载不同DAC的速率有时会限制更新速率。更新率以采样/秒(S/s)为单位。
有关模拟输入等效值,请参见采样速率。
范例
NI PXIe-7847R有8个模拟输出通道。
数模转换器可具有不同的架构。产品规范将说明产品设计中使用的DAC类型。
范例 增强型R-2R数模转换器使用电阻梯形网络将数字信号转换为模拟电压的常用概念
输出阻抗是与模拟输出通道有效串联的阻抗,如下所示:
低输出阻抗允许将产生的更多电压分配给模拟输出的负载。请务必将输出阻抗考虑在内,从而确保达到所需的电压水平。
范例
NI PXIe-7847R的输出阻抗为0.5 Ω。即如果连接的负载阻抗为500 Ω,并且用户指定的电压为1 V,则负载上的实际电压为0.999 V,比预期低1.0 mV。在该电压下,还将从设备流入1.99 mA的电流。
对于模拟输出,输出驱动电流是设备灌电流或拉电流的最大量。连接的负载(包括输出阻抗)与编程电压相结合,确定了维持编程输出电压所需的电流。
如果驱动电流仍然低于指定的输出驱动电流,则可以保证提供编程输出电压。输出驱动电流过大会使设备进入过驱状态,输出电压无法再得到保证。
范例
NI PXIe-7847R能够从任何模拟输出通道驱动±2.55 mA电流。在±10 V范围内,这意味着在全量程驱动的最低总阻抗取决于最大功率输出或最大电流和电压:
考虑到PXIe-7847R的输出阻抗,在全量程驱动的最低连接阻抗为最小负载与输出阻抗之差:
模拟输出引脚上的保护将由每个设计中实现的保护电路定义。这可以防止电流回扫尖峰或意外短路。但请参考产品规范。
范例
为防止AO通道和GND之间的意外连接,板卡的PXIe-7847R内部保护实现了对地短路保护。在这种情况下,预期会出现电流峰值,此时模块具有防止自身损坏的保护。
模拟输出电路包含保护电路,可为模块指定的输入电压提供保护。
范例
NI PXIe-7847R为A0引脚提供高达±15 V的保护。设备关闭时,保护等级较低,为±10 V。5V线具有±30 V保护
上电状态指明了当设备上电时,以及在称为上电毛刺的毛刺周期之后,模拟输出通道的值。在设备通过总线接收功率之前,可在上电毛刺规范中查看输出上的值。
范例
NI PXIe-7847R的模拟输出通道可在上电时配置为用户可配置。
设备接通和断开电源时,模拟输出通道上会出现毛刺信号。
范例
NI PXIe-7847R的指定毛刺为1 V,持续1 µs。
单调性可保证当DAC代码增加时,输出电压也增加。
范例
NI PXIe-7847R保证输出电压会随DAC代码的增加而增加。例如,斜坡函数将始终根据斜坡的方向增加或减少。
模拟输出值稳定在一定精确度范围内所花费的时间。
范例
NI PXIe-7847R的全幅跳变稳定时间在5.3 µs的±16 LSB之内。即对于±20 V范围(V)的全幅振荡,可以驱动到16 LSB以内的最大频率为1/(5.3 µs) = 188.68 kHz。
边沿斜率是指给定设备中模拟输出通道的变化速率。通常以V/µs为测量单位。输出的稳定时间使用计算中已包含的边沿时间计算得出。在设计用于高幅度高频信号的系统时,务必要考虑边沿斜率,因为幅度的大幅摆动可能会超出给定设备的边沿斜率。
范例
NI PXIe-7847R的典型边沿斜率为10 V/µs,即可以产生的全量程高频为1 MHz。该数字是通过计算时间频率(freq=(1/t))得到的。已知±5V的范围是10V,斜率为10 V/µs,我们可以计算出最高频率是(1/ 1µs)或1MHz。尝试输出幅度更大的全量程信号会导致不必要的失真。
中尺度毛刺能量由DAC产生。产生毛刺的原因是,在DAC中,最高有效位(MSB)在DAC量程的中间被切换时,内部电路会产生毛刺。它与上电毛刺类似,是电压随时间变化的积分。
范例
PXIe-7847R的中量程毛刺能量为±10mV,持续3 µs。
5V线的容差取决于5V引脚可接受的电压范围。
范例
如果5V引脚输出电压在4.75V~5.1V范围内,PXIe-7847R被认为在规范范围之内。
关于5V输出的输出电流规范,旨在告知用户引脚可提供的电流存在限制。
范例
如果用户希望将5V引脚用作激励线来为其传感器供电,假定传感器的负载足够大,以确保模块不会达到5V引脚的指定电流限制,这应该没问题。例如,PXIe-7847R的输出电流为0.5A,最大值来自5V引脚。
如V=IR,V=5,且I必须满足I < 0.5,然后满足R,则负载的电阻必须至少为10 Ω。
位于模拟输出下的过压保护部分
将导致模块进入过流状态的电流限制条件。
范例
PXIe-7847R具有650mA的过流保护。在该值时,板卡将进入过流状态。
这是模块能够可靠地采样/生成DIO信号的最大速率。
范例
PXIe-7847R连接器0的最大频率为10 MHz,连接器1的最大频率为80 MHz。对于PXIe-7822R等其他模块,4个连接器的最大频率均为80MHz。80 MHz频率通过专用DIO连接器实现,该连接器使用专为DIO信号(RDIO2线缆和HSDIO接线盒)设计的布线和分线盒进行验证,以解决数字信号的串扰和噪声问题。但对于PXIe-7847R连接器0,其采用的RMIO电缆和SCB-68A接线盒同时也传输模拟信号,并非专门为数字信号设计。因此,虽然连接器0中的DIO通道在软件模式下可将频率推高至10 MHZ以上,但由于串扰和其他因素的影响,信号完整性可能会下降。
数字I/O兼容性是NI R系列模块/卡可遵循的逻辑标准。逻辑电平有多种不同的标准。常见的有TTL、CMOS、ECL、LVTTL和LVCMOS。
范例
PXIe-7847R可在LVTTL和LVCMOS上运行
为了记录逻辑高压或逻辑低压,输入信号应处于建议的工作电压范围。逻辑系列为Vil(电压输入低最大值)和Vih(电压输入高最小值)设置阈值,用于定义逻辑电平并与逻辑高(1)或低(0)相关联。介于这两个水平之间的未定义。
范例
PXIe-7847R包含1.2、1.5、1.8、2.5和3.3V的逻辑系列,每个系列都有对应的Vil和Vih,可在产品规范中找到。
输入NI R系列模块/卡数字引脚的最低电压值。
输入NI R系列模块/卡数字引脚的最高电压值。
理想情况下,输入引脚具有无限阻抗且无电流,但实际上,输入阻抗较大(但有限),因此电流非常小。输入泄漏电流是所有组件阻抗和电流的结果。NI指定的方式是,存在最大电流,可能是由于泄漏。
范例
PXIe-7847R的最大输入漏电流为±15 µA。
输入阻抗用于衡量输入电路阻止电流流向数字输入COM的程度。
范例
PXIe-7847R的输入阻抗通常为50kΩ。如果源的输出阻抗较大,则必须考虑输入阻抗。假设传感器的输出阻抗非常高,例如30 kΩ。将NI模块连接到具有极高输出阻抗的传感器时,传感器的3 V额定输出被读取为1.875 V,该电压电平可能无法定义。
生成逻辑高或逻辑低时,输出信号的预期工作电压范围。输出电压通常还指定模块可漏极/源极和维持高或低输出电压的电流总量。
模块在不进入过流状态的情况下,可从所有输入/输出线驱动的最大保证电流。这取决于电压系列
范例
在3.3 V逻辑系列中,PXIe-7847R的最大源极/漏极电流为4mA。
输出阻抗是与数字输出通道有效串联的阻抗。低输出阻抗允许将产生的更多电压分配给负载。请务必将输出阻抗考虑在内,从而确保达到所需的电压水平。输出电流的输出阻抗可用于确定预期的输出电压。
范例
PXIe-7847R指定输出阻抗为50 Ω。因此,如果负载连接的阻抗为500 Ω,假定3.3 V输出为3 V,则负载将承受的电压为。
模块上电时DIO线的状态。状态可以是数字输入输出,也可以是高、低、高阻抗等,取决于模块启动时可用的状态。
范例
NI 78xxR DIO线可单独配置为输入或输出。系统上电时,DIO线通常为50kΩ,请下拉。如要设置其他上电状态,可配置NI 78xxR在系统上电时加载VI,VI将DIO线路设置为其他上电状态
各个数字线都有专门的I/O保护,可防止出现静电放电(ESD)和过压情况。NI建议最大限度地减少数字I/O长期暴露在过压/欠压下的情况。长期处于违反最大/最小数字输入电压额定值的直流电压下可能会缩短设备的使用寿命。如果处于异常情况下的累积时间超过1年,则认为暴露于过压/欠压下的时间过长
每个连接器必须具有与其DIO关联的逻辑系列。这在软件中是可编程的,但在编译时定义(而不是在运行时)。
数字I/O通道的方向控制
这决定了每条线、端口或连接器是否可以定义为数字输入或输出。
范例
NI-7847R可定义为数字输入或通道输出。
最小I/O脉冲宽度是I/O状态完成和稳定的最小时间。换言之,在最小I/O脉冲宽度定义的时间内,数字状态必须是常量。
范例
PXIe-7847R的最小I/O脉冲宽度为6.25ns,因此一个完整的周期需要12.5ns。如找到倒数,则为80MHz。
可定义为FPGA支持的最大时基,用于采样DIO信号。
范例
PXIe-7847R的最小采样周期为5 ns。如果频率等于时间的倒数,然后,我们可以计算PXIe-7847R的FPGA支持的最大时基为200MHz。
现场可编程门阵列是可重编程的硅芯片。如需了解详细信息,请阅读其他NI资源。(NI FPGA)
使用FPGA的其他常见术语包括:
触发器:有时也称为寄存器
LUT:查找表
动态随机访问存储器。这种类型的RAM将每一位存储器存储在集成电路中独立的微小电容内。这些电容可保持电荷(1)或放电(0),但由于它们是电容,如不刷新将泄漏电荷。因此,所有这些内存都是易失性的,断电后很快就会丢失。
根据设备和外形(PCI/PCIe、PXI/PXIe),将打开各种同步选项。通常由NI定义为输入或输出源。源由每个模块可用的外形和连线定义。如需向模块发送同步脉冲,可使用这些源。
范例
PXIe-7847R具有内置的PXIe机箱背板的典型PXIe连线。其中包括与匹配迹线长度的PXI_Star线、双向的PXI_Trig线以及访问背板时钟源。
PCI、PCI Express、PXI、PXI Express和USB均为MIO DAQ设备可能采用的总线接口示例。这些总线在平衡数据吞吐量、延迟、可移植性和通道数方面起到了关键作用。
范例
NI多功能可重配置I/O(R系列)有USB、PXI Express和PCI Express三种类型。尽管这些设备和模块具有相似的功能,但与USB设备相比,PXI Express模块和PCI Express设备的延迟更低,吞吐量更高。PXI Express模块具有PXI Express系统的额外优点。USB设备具有支持热插拔和更紧凑的优点,更适合移动应用。
请务必了解USB和PCI设备或PXI模块的电源要求,以便提供正确的功率。本部分提供的值适用于正常使用的情况,并未列出在规范外使用设备或模块可能消耗的最大功率。对于USB设备,NI提供的电源符合建议规范,但是如果需要,您可以使用第三方电源或定制电源。对于PCI或PCI Express设备,如果需要更多电源,可以使用磁盘驱动器电源连接器。这在使用+5 V用户导轨为外部电路供电时最为常见。更多信息见电流限制。对于PXI或PXI Express模块,该规范在制定电源预算时很有用。详细信息见相关链接。
范例
PXIe-7847R从+3.3 V导轨吸取3 A,从+12 V导轨吸取2 A。使用P = I*V计算总功耗。因此,PXIe模块的总功耗为33.9 W。
也见
制定PXI系统的电源预算
NI发布了大多数产品的尺寸图,可用于在购买设备或创建所建系统的模型之前检查空间情况。除了尺寸之外,NI还提供了完整的定制线缆、连接器和螺丝列表。
请参阅其他最大工作电压部分。但请注意Measurement Category评级和手册本节中的注意事项,因为它们将提供有关安全和正确使用的指导。
我们规范手册的三个部分中列出了可重配置MIO(R系列)设备测试和遵循的标准。有关任何标准的更多信息,请访问产品认证。
范例
可使用认证搜索查看PXIe-7847R的合规性规范:PXIe-7847R
可重配置MIO(R系列)设备已按照特定的行业标准进行了测试,确保规定的精度符合规范,且设备完整性保持在规定的冲击和振动规范内。请务必不要超过这些指定值,从而确保设备正确、准确地运行。
范例
PXIe-7847R已根据IEC 60068-2-64进行了测试,且已根据MIL-PRF-28800F Class 3制定了测试配置文件。
与所有测试和测量设备一样,执行常规校准来确保设备在指定的精度设置内运行十分重要。由于设备会自行散发一定热量,因此在进行任何测量之前,请务必按指定的时间进行预热,从而确保达到稳定的温度。对于这种情况,如果支持,建议对设备进行自校准。有关NI提供的校准服务的更多信息,请参见校准服务。
范例
PXIe-7847R的预热时间为15分钟,校准周期为1年。NI建议在上电15分钟后对设备进行自校准,从而确保达到最佳精度。使用一年后,NI建议寄回设备进行认证校准。对于纯数字模块(PXIe-782XR),没有校准间隔或校准流程。关于一般维护和自校准的建议适用于所有NI模块。