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数据采集DAQ基础知识（三）
数据采集设备的驱动软件将模数转换器输出的二进制码值通过乘以一个常数转化为电压值。良好的相对精度对数据采集设备很重要，因为它确保了将模数转换器输出的二进制码值能被准确地转化为电压值。获得良好的相对精度需要正确地设计模数转换器和外围的模拟电路。
噪声－在数据采集设备的数字化信号中不希望出现的信号即为噪声。因为PC是一个有噪声的数字化环境，所以在插入式设备上作采集工作需要经验丰富的模拟电路设计人员在多层数据采集设备上精心布线。简单地把一个模数转换器、仪用放大器和总线接口电路布置在一个一层或两层板上，这样开发出的设备会有非常大的噪声。设计者可以在数据采集设备中使用金属屏蔽来降低噪声。恰当的屏蔽不仅用于数据采集设备上敏感的模拟部分，而且体现在设备的板层间使用接地层。
图5显示了当输入范围为±10 V，增益为10时的一个直流噪声。当1 LSB = 31 µV，20 LSB噪声水平相当于620 µV的噪声电压。图6显示了两个数据采集产品的直流噪声曲线，它们使用的是相同的ADC，两个数据采集产品的质量可由这些噪声曲线来决定——噪声的范围和分布情况。从图6a的曲线可以看出，NIAT-MIO-16XE-10，在0处有高的采样分布，而它在其它码值上的点数量极少。这种分布为高斯分布，它是随机噪声。从曲线可以得知，峰值噪声在±3 LSB以内。在图6b中，此产品是另一家厂商生产的数据采集设备，它的噪声分布很不同。设备生成的噪声高于20 LSB，出现了许多非期望值的采样点。
图5. 当信号通过一个切换40路DC信号的多路复用器输入仪用放大器时，表现为一个高频率AC信号
图6. 尽管采用了相同16位ADC，两种数据采集产品的噪声曲线还是具有明显的不同。图6a是NI AT-MIO-16XE-10；图6b是另一家厂商的数据采集产品
对于复杂的测量硬件如插入式数据采集设备，根据所使用设备的不同，您所得到的精度有很大的差别。NI一直致力于提供高精度的产品，在许多情况下，这些产品的精度甚至比台式仪器还要高。在NI产品的技术规范中有这些精度的说明。同时您要注意那些没有详细说明的板卡；所省略的技术指标可能会导致测量的不精确。通过评估更多的模拟输入技术指标，而不是简单地参考模数转换器的分辨率，您可以确定所选的数据采集产品对于您的应用是否具有足够的精度。
模拟输出
经常需要模拟输出电路来为数据采集系统提供激励源。数模转换器（DAC）的一些技术指标决定了所产生输出信号的质量－稳定时间、转换速率和输出分辨率。
稳定时间——稳定时间是指输出达到规定精度时所需要的时间。稳定时间通常由电压上的满量程变化来规定。需要更多关于稳定时间的信息，请参考模拟输入这一章节。
转换速率——转换速率是指数模转换器所产生的输出信号的变化速率。稳定时间和转换速率一起决定模数转换器改变输出信号值的速率。因此，一个数模转换器在一个小的稳定时间和一个高的转换速率下可产生高频率的信号，这是因为输出信号精确地改变至一个新的电压值这一过程所需要的时间极短。
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输出分辨率——输出分辨率与输入分辨率类似；它是产生模拟输出的数字码的位数。较大的位数可以缩小输出电压增量的量值，因此可以产生更平滑的变化信号。对于要求动态范围宽、增量小的模拟输出应用，需要有高分辨率的电压输出。
触发器
许多数据采集的应用过程需要基于一个外部事件来起动或停止一个数据采集的工作。数字触发使用外部数字脉冲来同步采集与电压生成。模拟触发主要用于模拟输入操作，当一个输入信号达到一个指定模拟电压值时，根据相应的变化方向来起动或停止数据采集的操作。
RTSI总线
NI公司为数据采集产品开发了RTSI总线。RTSI总线使用一种定制的门阵列和一条带形电缆，能在一块数据采集卡上的多个功能之间或者两块甚至多块数据采集卡之间发送定时和触发信号。通过RTSI总线，您可以同步模数转换、数模转换、数字输入、数字输出、和计数器/计时器的操作。例如，通过RTSI总线，两个输入板卡可以同时采集数据，同时第三个设备可以与该采样率同步的产生波形输出。
数字I/O DIO
数字线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配。在上述的每一个例子中，需要打开或关掉设备的总电流必须小于设备的有效驱动电流。
然而，通过应用恰当的数字信号调理配件，您可以使用进/出数据采集硬件的低电流TTL信号来监测/控制工业硬件产生的高电压和电流信号。例如，在打开或关闭一个高阀门时，电压和电流的值可能达到2A、100VAC的数量级。因为一个DIO设备的输出为几个毫安，电压为0～5VDC，所以可以使用如SSR系列、ER-8/16，SC-206x，或 SCXI模块来开关电源信号，控制阀门。
定时I/O
计数器/定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字事件产生次数的计数、数字脉冲计时，以及产生方波和脉冲。您通过三个计数器/计时器信号就可以实现所有上述应用——门、输入源和输出。
门——门是指用来使计数器开始或停止工作的一个数字输入信号。
输入源——输入源是一个数字输入，它的每次翻转都导致计数器的递增，因而提供计数器工作的时间基准。
输出——在输出线上输出数字方波和脉冲。
应用一个计数器/计时器时*重要的指标是分辨率和时钟频率。分辨率是计数器所应用的位数。简单地说，高分辨率意味着计数器可以计数的位数越高。时钟频率决定了您可以翻转数字输入源的速度有多快。当频率越高，计数器递增的也越快，因此对于输入可探测的信号频率越高，对于输出则可产生更高频率的脉冲和方形波。在我们的E系列数据采集设备中采用了DAQ-STC计数器/计时器，其时钟频率为20 MHz，共有16个24位计数器。在NI 660x计数器/计时器设备中，所用的NI-TIO计数器/计时器时钟频率为80 MHz，共有8个32位计数器。
DAQ-STC是NI的一种定制的专用集成电路 ASIC ， 它是为数据采集应用专门设计的。与应用在数据采集设备上的其他现有计数器/计时器芯片相比较，DAQ-STC是与众不同的。例如，DAQ-STC是一个正向/反向的计数器/计时器，意味着它可以使用附加的外部数字信号，根据“高”或“低”电平，来正向计数或反向计数。这种类型的计数器/计时器可用于旋转或线性编码器来测量位置。其它的专有功能还有生成缓冲式脉冲系列、对相同的采样时间进行定时、相关时间戳记、以及采样速率的瞬间改变 。
NI-TIO也是一种针对计时应用特定设计的定制的ASIC。它将所有的DAQ-STC计数器/计时器的功能进行合并，并且还加入了新的特点，如自身编码器的兼容性、消除反冲过滤器和两个信号的边缘分离测量。
图7.自动润滑检测应用（应用了一个SCXI机箱和在Macintosh上运行的LabVIEW）
原创作者：武汉天罡科技发展有限责任公司
