數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎(chǔ)知識(shí)

　　為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)處理。為了更精確地測(cè)量信號(hào)，信號(hào)調(diào)理配件能放大低電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵(lì)源來(lái)生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號(hào)調(diào)理配件的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　圖2 用于插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的SCXI信號(hào)調(diào)理的前端系統(tǒng)

　　信號(hào)調(diào)理配件可用于各種重要的應(yīng)用

　　放大功能——放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能。例如，需要對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對(duì) 信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào)。在臨近傳感器的SCXI機(jī)箱內(nèi) 對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對(duì)讀數(shù)的影響。

　　隔離功能——另一種常見的信號(hào)調(diào)理應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信 號(hào)調(diào)理， 這種高壓會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。 使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢(shì)差或共模電壓的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考“地線”， 而一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差，就會(huì)帶來(lái)麻煩。這種電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確;或者如果電勢(shì)差太大，它也會(huì)對(duì)測(cè)量系 統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達(dá)250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達(dá)450 Vrms電壓隔離。

　　多路復(fù)用功能——多路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)如溫度這樣緩慢變化的信號(hào)使用多 路復(fù)用方式。ADC采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。由于同一個(gè)ADC可以采集多個(gè)通道而不是一個(gè)通道， 每個(gè)通道的有效采樣速率和所采樣的通道數(shù)呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個(gè)，那么每個(gè)通道的有效采集速率大約為：

　　由于模擬信號(hào)的模擬SCXI模塊采用多路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以測(cè)量多達(dá)3,072個(gè)信號(hào)。

　　使用AMUX-64T模擬多路復(fù)用器，您可以使用一個(gè)設(shè)備來(lái)測(cè)量256個(gè)信號(hào)。所有內(nèi)置有多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備也具備這一特性。

　　濾波功能——濾波器的功能是指在您所測(cè)量的信號(hào)中濾除不需要的信號(hào)。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號(hào)，它可以衰減那些降低測(cè)量精度的高頻信號(hào)。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)信號(hào)數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來(lái)濾除噪聲。

　　如振動(dòng)這樣的交流信號(hào)常常需要另一種被稱為抗混疊的濾波器。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器;然而，它需要有非常陡的截止速率，從而 可以濾除信號(hào)中所有高于設(shè)備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒(méi)有被濾除，它們將會(huì)作為信號(hào)錯(cuò)誤地出現(xiàn)在設(shè)備輸入帶寬中。專為測(cè)量交流信號(hào)而設(shè)計(jì)的設(shè)備—— NI 455x、NI 445x和NI 447x動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA)設(shè)備，NI6115同步采樣多功能I/O設(shè)備，SCXI-1141模塊都有內(nèi)置的抗混頻濾波器。

　　激勵(lì)功能——對(duì)于某些傳感器信號(hào)調(diào)理也能提供激勵(lì)源。例如，應(yīng)力計(jì)、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào)。用于這些傳感 器的信號(hào)調(diào)理模塊常用來(lái)提供激勵(lì)信號(hào)。RTD測(cè)量常使用電流源來(lái)把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量電壓。應(yīng)力計(jì)是阻值非常低的電阻設(shè)備，常用于配有電壓激勵(lì)源 的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵(lì)源，可配置為電流或電壓激勵(lì)，從而可用于壓力計(jì)、熱敏電阻器或RTD。

　　線性化功能——另一種常見的信號(hào)調(diào)理功能是線性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對(duì)被測(cè)量的物理量的響應(yīng)是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應(yīng)用軟件包包含了應(yīng)用于熱電偶、壓力計(jì)和RTD的線性化功能。

　　您需要了解您的信號(hào)的特性，用于測(cè)量信號(hào)的配置以及系統(tǒng)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)這些信息，您才可以確定您的DAQ系統(tǒng)是否需要使用信號(hào)調(diào)理。