NI 資料擷取：準確度與效能差異
內容
NI 的電腦架構資料擷取 (DAQ) 裝置，已引領效能與精確度的標準超過 30 年。設計各種資料擷取應用時，量測準確度可說是最重要的考量之一。不過整體系統效能也很重要，例如 I/O 取樣率、輸出率和延遲時間。大多數的工程師和科學家都會為了輸出效能而放棄準確度，或是為了解析度而犧牲取樣率。憑藉多年經驗，NI 已開發出數種關鍵技術，以最大化量測作業的絕對準確度，同時在 PCI 到 PXI 與 USB 等電腦架構的資料擷取作業中，提供領先業界的效能。
NI-MCal:透過三階多項式執行自我校準
NI-MCal 是一種軟體架構的校準演算法，可產生三階多項式來修正三種最常見的量測誤差來源：偏移、增益以及非線性。現今大多數資料擷取裝置在執行某種自我校準時，會使用內建電壓及接地參考來判斷模數轉換器 (ADC) 所造成的偏移與增益誤差。然而，許多資料擷取廠商都忽略 ADC 是一種非線性系統的事實。若未考慮該因素，可能會造成量測的重大誤差，尤其是在裝置的最大與最小量測範圍內。
圖 1. 除了修正增益與偏移誤差之外，NI-MCal 還運用進階軟體演算法來修正每個 ADC 固有的非線性度。
NI-MCal 使用軟體進行 ADC 的非線性度特性分析，產生三階多項式，以準確將 ADC 的數位輸出轉換為電壓資料。具體來說，NI-MCal 使用抖動和均值技術「平滑化」ADC 的傳輸曲線，並透過一組三階多項式係數將 ADC 傳輸函式線性化。每次執行自我校準時，NI-MCal 都會針對資料擷取裝置的每個輸入範圍重複此流程，並將結果儲存在內建的電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 中。掃描清單中的每個通道都會傳回校準後的資料，即使輸入範圍各不相同。
NI-PGIA 2:快速且準確的量測
在 ADC 之後，可程式化增益儀器放大器 (PGIA) 是資料擷取裝置中第二重要的元件。PGIA 可利用不同增益設定，將對應比例的電壓訊號送至 ADC，充分發揮資料擷取裝置的解析度。大多數現成可用的 PGIA 並未針對資料擷取應用而優化，這是因為趨穩時間过長。趨穩時間是指訊號被放大到特定準確度時所需的時間。以單一裝置掃描不同電壓層級的多個通道時，這項規格至關重要，因為縮短趨穩時間可在不犧牲準確度的情況下提升取樣率。
圖 2.NI-PGIA 2 在資料擷取裝置上經 20 V 步進於兩個相鄰通道之後，其趨穩時間明顯優於舊版 NI-PGIA 與現成的 PGIA。
NI M 系列裝置上的 NI-PGIA 2 客制化放大器設計整合了與 ADC 配對的全面平衡訊號路徑。NI-PGIA 2 技術可以將趨穩時間縮至最短，就算裝置以最大取樣率運作，也可維持規定的解析度，藉此提升準確度與效能。上方圖 2 顯示，高速 NI-PGIA 2 在 20 V 步進後 (最差情況下)，於 1.5 us 內幾乎零誤差趨穩。
隔離
許多 NI DAQ 裝置包含不同等級的電氣隔離，以提升量測準確度和裝置效能。於量測系統而言，「隔離」即以電氣及物理方式將可能暴露於高電壓暫態及雜訊的感測器訊號與量測系統的低電壓背板完全隔開。隔離可提供多項優勢，包括保護昂貴設備、使用者及資料免受有害暫態電壓影響；提升抗雜訊能力；消除接地迴路；並提高共模電壓抑制。
圖 3.隔離可將潛在的危險訊號從量測系統的低電壓後端隔離，進而提供保護並提升抗雜訊能力。
隔離式 NI DAQ 裝置為類比和/或數位前端，以及裝置背板提供獨立的接地機板，以將感測器量測與系統其他部分隔開。隔離式前端的接地連結是浮動針腳，可在與接地不同的電位下操作。接地與量測系統接地之間的任何共模電壓都將被抑制 (在裝置工作電壓規格範圍內)。隔離功能亦可避免形成接地迴路，有助於降低量測訊號中的雜訊。DAQ 裝置可以依通道、通道群組，或完整系統提供隔離。
NI 訊號串流
在了解量測應用的多樣性之後，NI 針對特定的電腦匯流排技術，另外區隔出資料擷取作業。現在只要單一的 NI-DAQmx API，即可跨 PCI、PCI Express、PXI、PXI Express、USB、乙太網路，與 Wi-Fi 進行通訊作業。由於這些匯流排各有不同的可攜性、產能與延遲能力，NI 訊號串流技術能讓使用者無需處理不同架構的程式設計複雜度。舉例來說，NI 訊號串流可克服 USB 傳輸的低產能與較高延遲，讓有線 USB DAQ 裝置能夠實現雙向波形串流。
圖 4.NI USB DAQ 裝置配備的 NI 訊號串流包括客制化軟硬體介面，可透過匯流排串流連續雙向波形資料。
針對 USB 開發的相同技術也能應用於其他儀器匯流排，包括乙太網路與 IEEE 802.11 (Wi-Fi)。因此，您可以將針對 PCI DAQ 裝置開發的應用 (即使為高速應用) 改為使用 USB 或無線 DAQ 裝置，而無需變更軟體。因此，NI DAQ 的效能無論使用哪一種匯流排都相同。