NI动态信号采集(DSA)和NI SC Express数据采集(DAQ)设备和模块的规范手册提供了确定或选择最适合您应用的DAQ设备或模块所需的技术详情,并在系统开发期间作为验证设备或模块性能的参考资料。本文档以术语表的形式提供了所用术语的定义,说明每个规范的重要性和相关性。
本指南与大多数NI规范手册的章节划分相同。以下术语和定义按字母顺序列出,在规范手册中可能会以不同的顺序出现。本指南仅适用于44xx (DSA)和43xx (SC Express) DAQ设备和模块。其他NI产品系列(如多功能I/O (MIO) DAQ、cDAQ和cRIO机箱与控制器、91xx、92xx、94xx C系列模块、多功能RIO 78xx R系列、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DSA和SC Express DAQ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。
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 DSA和SC Express设备和模块通常只有模拟输入或模拟输出系统。 一些规范为DSA或SC Express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DSA模拟输入的规范和特定于SC Express模拟输入的规范。
ADC,通过使用二进制搜索将创建的电压与提供的信号电压匹配,将模拟信号转换为离散的数字表示法。
由1位ADC和滤波电路组成的ADC架构,可对输入信号进行过采样并进行噪声整形,以实现高精度的数字输出。
该术语仅适用于具有delta-sigma ADC的模块。Delta-Sigma ADC使用较大倍数的采样率,例如给定信号奈奎斯特速率的128倍。举例来说,如要对25 kHz信号进行采样,使用大于奈奎斯特速率(50 kHz以上)的采样率就足够了。但是,delta-sigma ADC使用128倍的过采样率,以6 MHz的频率对信号进行采样。这种方法有几个好处,例如更好的抗混叠和更高的分辨率。
过采样数据在作为输出可用之前,由ADC内的数字滤波器进行处理。由于数字滤波器处理过采样数据所需的时间非零,输出数据速率始终低于过采样速率。输出数据速率等于过采样率除以ADC降采样率。
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-4300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±0.1 V范围内,该值为3.05 µV。
该规范将说明可用作时基频率的频率。
通常以ppm为单位,指定实际时基频率与所列频率之间的距离。该规范受设备调用间隔规范的约束。
这将说明哪些外部连线可用作外部时基。
通常在表格中显示,这将根据提供的参考信号显示参考时钟同步的有效锁定频率。
将显示设备的有效参考时钟源。 通常由板载时钟和机箱背板时钟组成。
该滤波器延迟是信号通过设备上模拟滤波器的结果。该值因设备使用的范围/增益而异。
该滤波器延迟由以下原因引起:模拟滤波器延迟、缓冲模式数字滤波器或硬件定时单点模式滤波器。同步时无法补偿该延迟,需考虑该延迟以避免数据发生相移。
该滤波器延迟是抗混叠滤波器在缓冲模式下工作的结果。与其他硬件同步时,该延迟将自动补偿。
该延迟是信号通过设备上的数字抗混叠滤波器的结果。 它是补偿群延迟规范的一部分,由提供给模块的输入频率决定。
该延迟是信号通过设备上的数字抗混叠滤波器的结果。 它是补偿群延迟规范的一部分,由模块当前使用的采样率决定。
通带/无混叠带宽定义为从直流到抗混叠滤波器达到'-0.1 dB点的频率范围。 该范围是待测信号存在的位置,以便进行正确的测量
范例:
PXIe-4464列出其无混叠带宽(BW)(通带)为"DC~0.454 * fs",即从DC~0.454倍的采样频率,作为当前测量的通带
阻带/混叠抑制由两部分定义:衰减或抑制规范以及频率规范。衰减/抑制定义了应用于信号的最小衰减量,而频率决定了衰减发生的起始点。
范例:
PXIe-4330的产品规范如下所示。
对于PXIe-4330,频率为采样频率0.55倍的信号相对于原始信号的衰减为100 dB。
设备上的delta-sigma ADC使用过采样架构和跟踪采样率的带截止频率的陡峭数字滤波器。 由于ADC内部的数字滤波器设计方式,在较大的频率上会产生一个小孔,理论上可观察到混叠。
为了消除ADC留下的混叠孔,模拟固定频率滤波器应用于模拟路径上的高频分量。 指定高频分量将看到的抑制。
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:
对于5 V量程,NI PXIe-4300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。
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-4464的串扰规范为,相邻通道-95 dB,非相邻通道-125 dB。这意味着通道ai2与通道ai1和ai3之间的串扰规范为-95 dB,而与所有其他ai通道的串扰规范为-125 dB。
某些模块(如NI 4461和NI 4464)支持直流和交流耦合模式。选择DC耦合模式时,源信号中的任何DC偏移都将被传递至ADC。选择AC耦合模式时,信号路径的输入端启用高通滤波器,滤除信号的大部分直流成分。
另请参阅:交流耦合和直流耦合的基本信息
指定从模块请求激励时提供的输出类型。SC Express通常将其列为“恒定差分电压(平衡)”。
提供激励线上的噪声,以及测量噪声的带宽。通常以uVrms表示。
指定模块内部激励可提供的电压值。
外部电路发生故障时,模块可能提供的最大电流。
是我们保证模块能够通过激励提供的最小最大电流。
指定模块内部激励可提供的电压值。
指定设备可为提供的激励选择的频率值。
是我们保证模块能够通过激励提供的最小最大电流。
模块提供的激励电压增益的精度。
激励输出的范围,用户可选择该范围内与相应调整分辨率步长匹配的值。
电源负载发生变化时,电源输出通道上保持恒定电压(或电流)电平的能力。
是激励的软件可读属性,它将根据电流激励电流与指定限制电流的比较而变化。
是模块的软件可读属性,用于通知用户电路当前是否开路。
是模块的软件可读属性,用于通知用户电路当前是否存在短路。
指定为值或最小值,兼容电压是Vcommon-mode + Vbias + Vfull-scale相加的最小最大值。其中
Vcommon-mode是输入通道的共模电压 Vbias是传感器的直流偏置电压 Vfull-scale是传感器的交流全量程电压。
平衡源使用三根导线传输信号。其中两根导线传输负极和正极信号(交流信号),第三根用于接地。 使用平衡源时,高增益和隔离地可实现更清洁、无噪声的信号。
不平衡源,只有两根导线。一个为正极,一个为负极,也用于接地。 更适用于低噪声环境中的短线缆。
在执行模拟输入或模拟输出任务时,NI DAQ设备可以将数据存储在板载FIFO中。
对于具有输入和输出通道的设备,每个子系统都有一个专用的FIFO。但是,此FIFO内的所有通道都共享此FIFO。对于模拟输入,NI-DAQmx实现了数据传输机制,从而确保将存储在FIFO中的数据尽快传输到PC缓冲区,使板载FIFO不会超限运行。对于模拟输出,NI-DAQmx实现了数据传输机制,从而确保将PC缓冲区中的数据尽快传输到板载FIFO,使FIFO不会欠载运行。对于模拟输出,用户可选属性可用于指定是否使用PC缓冲区,以及是否仅从板载FIFO重新生成单一波形。
通带内信号的增益和衰减是基于频率变化的。通带平坦度是指增益的幅度相对于参考频率的微小变化。
在模块的模拟输入上进行频率扫描时,测量信号的幅值和相位将根据模块的滤波器特性而改变。 该数据通常以图表或频率值表格表示。
仪表放大器固有的增益误差,一般存在于自校准后。
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-4309的输入阻抗为Zin > 10 GΩ。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:
75 nV的测量差值对应因阻抗而几乎可以忽略的1.5u °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5 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3.333 V,或假设的测量误差为33.34 °C。
模拟前端产生的其他系统噪声,通过将输入通道接地进行测量。
隔离是指在物理和电气上隔离设备的两个部分。它保护计算机电路和操作人员、断开接地回路并提高共模电压和噪声抑制。
每个通道与其他通道和其他非隔离组件隔离。 下图表示通道间隔离。Va,b, Vc,d, Ve,f和Vg,h都位于不同的总线上且相互隔离。
设备的通道和设备地之间电隔离。 通道对地隔离如下图所示。隔离前端(Va-c )的电压位于同一总线上;这些电压并不相互隔离。Ve、d位于单独的总线上,与前端隔离。
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通道间增益不匹配定义了给定通道相对于参考通道的增益差。它是输入频率的函数。
通道间相位不匹配定义了给定通道相对于参考通道的相位差。根据测量范围和测量的输入信号频率指定
范例
10V范围内的NI 4302指定通道间增益不匹配fin * 0.035°/kHz最大值。例如,如输入信号频率为2 kHz,模块上一条通道与其他通道的最大相位差为0.07°。
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仪表放大器固有的偏移误差,一般存在于自校准后。
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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。
处于过压状态时,设备可灌电流的最大数量由过压条件下的输入电流决定。
范例:
NI PXIe-4480的两个AI正极引脚具有高达±30 V的保护。如果超过两个AI引脚的过压大于±30 V,可能会损坏设备。当设备断电时,保护电平较低,为±15 V。
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理想情况下,在线性相位系统中,相位和信号频率呈线性关系。这意味着所有频率的输入信号在系统中具有相同的时间延迟。相位非线性度表示相位频率函数偏离理想值的程度。
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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-4300有四个输入电压范围:±1 V、±2 V、±5 V和±10 V。
通常作为通道对地提供,用于衡量差分信号在提供正确测量的同时可偏离地多远。
最大工作电压由信号电压加上公共电压确定。 大多数情况下,最大工作电压取决于当前使用的信号范围。
信号范围指定配置为ADC处理的最大值和最小值。 这是设置DAQmx任务时用户可选的属性。 范围过小将导致信号在最大值和最小值处截断,范围过大将导致测量精度降低。
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灵敏度是测量热电偶的有用规范,它根据定时模式定义了设备可记录的最小温度变化。 该规范目前仅用于PXIe-4353。
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该规范涵盖各种规范如何根据时间或温度而变化。 因此,该规范通常会根据温差或上次校准后的时间更改其他规范。
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采样率范围指定ADC将数据从模拟值转换为数字值的频率。某些设备只有一个ADC,因此,采样速率在通道之间共享,而另一些设备的每个通道都有专用的ADC。采样速率按照每秒样本数(S/s)或者每通道每秒样本数(S/s/ch)(从多个通道采集样本时)进行测量。
使用板载定时引擎时,模拟输入和输出任务的采样和更新速率限制为离散值。两个相邻速率之间的时钟周期之差称为定时分辨率。如果NI-DAQmx无法生成用户指定的准确频率,就会将所选频率强制提高到下一个可用频率。
范例:
NI PXIe-4300的指定定时分辨率为10 ns。即它能够以10 ns的整数倍生成或采集数据。例如,32,000.00 Hz和32,010.2432...Hz是两个相邻的频率,因为它们的时钟周期分别为31.250 µs和31.240 µs。要查找下一个可用频率,请将定时分辨率与已知的时钟周期相加或相减。
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虽然可通过两种不同的方法显示,但该规范表示设备频谱范围内的噪声。可根据测量的电流频率或模块的电流范围显示。 该规范通常以伏特/平方根赫兹为单位。
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无杂波动态范围是在杂波噪声干扰或导致基本信号失真之前的可用动态范围。模拟输入和模拟输出电路均具有会导致谐波失真的非线性特点。SFDR在频域中很容易观测到,如下所示:
范例:
PXIe-4339的SFDR约为100 dB。以上图为例,如果在0 dB时应用基本信号,则下一个最高杂波将在低于100 dB时出现,提供无杂波干扰的可用动态范围。
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由于ADC和DAC组件固有的非线性特点,测量或生成的信号中将出现谐波频率。这些谐波功率之和与基波功率的比值称为总谐波失真。
范例:
fs = 51.2 kS/s时,PXIe-4480的指定THD为-100 dB。即对于给定的测试信号(在本例中为全量程的10 kHz正弦波),信号中造成谐波失真的功率占比小于0.001%。相反,超过99.999%的测量功率由基音或特定的信号产生。
截止频率是频域中信号衰减的点。 既可作为–3 dB点(信号为原始功率的50%)提供,也可作为–0.1 dB点(表示离开通带的点)提供。
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设备的动态范围是电路可测量的最大和最小信号的比率,通常以dB为单位。
动态范围 dB = 20 × log10( Vmax / Vmin )
在大多数情况下,设备的全量程输入是可测量的最大信号,空闲通道输入噪声决定了可测量的最小信号。 National Instruments DSA设备指定动态范围、空闲通道噪声和频谱噪声密度,它们都可用于计算动态范围。 测量设备动态范围的最简单的方法是进行空闲通道噪声测量,并将测量结果转换为全量程dB,如测量数据采集设备的动态范围中所述。
选择DSA设备时,动态范围非常重要。 DSA应用通常需要使用具有较大动态范围的麦克风和加速计传感器。 选择合适的测量设备可充分利用这些传感器及其量程。
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空闲通道噪声用于衡量模块的噪声本底。 可通过下列步骤计算模块:
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IMD是另一种测量模块非线性失真的方法。IMD通常用于测量接近模块或测量系统高频极限的模块失真。如模块的输入为混合单频信号,模块中的非线性将导致混合单频并在频谱中创建新的单频。这些新信号的电平由IMD定义。
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该规范与THD相同,但包含噪声。 THD+N可视为由谐波信号和噪声引起的总信号失真。
THD + N = √(∑功率(谐波) + ∑功率(噪声)) / √功率(基波))
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用于测量在同一模块的不同ADC上测量的两个相同信号之间的最大时间差。 当使用参考时钟同步时,该规范对于同一机箱中的其他模块也有效,并且可以通过添加PXI时钟分布电势偏移来确定其他机箱中的模块。
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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。
范例
NI PXIe-4300的电压范围为±1.0 V。全量程绝对精度在假设被测信号为1.0 V的前提下计算得出。±1.0 V范围的全量程绝对精度为575 µV。
另见
如何计算绝对精度或系统精度?
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在SC Express温度输入模块上,该定时模式通过噪声整形过程降低设备的采样率以提高性能。 该过程显著增加了设备的ADC转换时间。 该模式默认启用。
在SC Express温度输入模块上,该定时模式可将设备的采样率提高到设备支持的最大采样率,但会牺牲性能。 该过程可显著缩短设备的ADC转换时间。
ADC转换时间是ADC从输入数据流提供采样所需的时间。 用作ADC定时模式的说明规范。
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电桥完成是指将惠斯通电桥传感器(通常用于测量应变)连接至模块时为用户提供的选项。软件可选的桥完成模式有全桥、半桥和1/4桥(这些选项可能并非在所有设备上可用)。
另见
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指定模块要处理的桥电阻值。 在SC Express设备上,这些值通常为:120、350和1000欧姆。
另见
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分流校准是对基于电桥的Circuits进行校准的方法,其中电阻与电桥的一个桥臂并联,将传感器驱动至已知值。 这样可让您了解传感器的全量程输出。
指定如何对所选设备进行分流校准。
指定用于完成分流校准的位置和电阻。
这是开关上的测量,启用分流校准时将被激活。
用于衡量分流电阻的值根据模块当前工作温度的变化。
这是对板载分流电阻电阻可接受的变化量的衡量。
该电阻用于进行分流校准
这为分流电阻在设备上的位置(相对于电流有效桥)提供了指导。
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通道间匹配是指将同一信号提供给设备的多个通道时,通道间增益和相位的变化。
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这是模块在不损坏设备的两个引脚之间可承受的电压。 该规范适用于设备的“开”状态或“开或关”状态。
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在许多SC Express设备上,为了提供更清晰的信号,设备增加了滤波。 指定后,文档将提供有关滤波器在频域中的位置以及滤波器实现方式的信息。
指定通带在频域中结束的位置。 在SC Express设备上,这是一项用户可选功能,因此此处将给出各种可选选项。
用于衡量为低通滤波器选择的值的精度。 该值通常为+/- 5%。
指定用于创建低通滤波器的滤波器类型。 实现的滤波器通常为Butterworth或椭圆滤波器。
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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-4300的输入偏置电流为±6 nA。这意味着NI PXIe-4300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。
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在NI DAQ设备上针对定时信号生成时钟信号时,产生的实际频率将处于定时精度范围内。该规范源自板载晶体振荡器的整体精度。定时精度通常以百万分之一(ppm)为测量单位。要将该精度值转换为Hz,请乘以精度值,再除以100万。 时钟的频率不太可能在不同周期发生大幅度变化。
范例
PXIe-4300的定时精度为50 ppm。对于更新速率为1,000 S/s的模拟输出任务,采样时钟将以1,000 Hz ± 50 ppm的频率运行。以Hz为单位,结果为:
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斩波功能可用于移除信号路径偏移电压并降低噪声。通过两次测量信号(一次正常(V0),另一次输入反转(V1)),可提高测量性能。两次测量在设备创建采样时取平均值。硬件示意图如下图所示。
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热电偶本身依赖于两种不同金属交点存在电势的原理。CJC十分必要,因为热电偶两端和测量系统(接线盒、接线盒)之间的连接也会增加热电偶电压的电势差。使用板载CJC传感器测量热电偶和测量系统之间的温度可补偿该误差。CJC传感器精度仅为CJC传感器的精度规范。
模拟转换器(DAC)分辨率,用于计算步长)和输出的实际值(通常以LSB为单位)。在理想的DAC中,DNL为0 LSB。
范例
NI PXIe-4322的DNL为±1 LSB,即对于DAC输出的任何值,实际值可能与编程值相差±1 LSB。例如,如果用户对DAC进行编程,从而在±5 V的范围内输出1 V的值,则输出(不考虑精度的影响)的范围可以是:
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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-4322,精度表中的INL规范在所用范围为64 ppm或4 LSB。