數據采集(DAQ)基礎知識

　　為了適合數據采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經過處理。為了更精確地測量信號，信號調理配件能放大低電壓信號，并對信號進行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調理配件的典型數據采集系統。

　　圖2 用于插入式數據采集設備的SCXI信號調理的前端系統

　　信號調理配件可用于各種重要的應用

　　放大功能——放大是最為普遍的信號調理功能。例如，需要對熱電偶的信號進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 信號放大以使調理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號調理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的SCXI機箱內 對低電壓信號進行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數的影響。

　　隔離功能——另一種常見的信號調理應用是為了安全目的把傳感器的信號和計算機相隔離。被監測的系統可能產生瞬態的高壓，如果不使用信 號調理， 這種高壓會對計算機造成損害。 使用隔離的另一原因是為了確保插入式數據采集設備的讀數不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當數據采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考“地線”， 而一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩。這種電勢差會產生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數不準確;或者如果電勢差太大，它也會對測量系 統造成損害。使用隔離式信號調理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達450 Vrms電壓隔離。

　　多路復用功能——多路復用是使用單個測量設備來測量多個信號的常用技術。模擬信號的信號調理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多 路復用方式。ADC采集一個通道后，轉換到另一個通道并進行采集，然后再轉換到下一個通道，如此往復。由于同一個ADC可以采集多個通道而不是一個通道， 每個通道的有效采樣速率和所采樣的通道數呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個，那么每個通道的有效采集速率大約為：

　　由于模擬信號的模擬SCXI模塊采用多路復用技術，一個數據采集設備可以測量多達3,072個信號。

　　使用AMUX-64T模擬多路復用器，您可以使用一個設備來測量256個信號。所有內置有多路復用器的數據采集設備也具備這一特性。

　　濾波功能——濾波器的功能是指在您所測量的信號中濾除不需要的信號。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號。例如，許多SCXI模塊在使用數據采集設備對信號數字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。

　　如振動這樣的交流信號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 可以濾除信號中所有高于設備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒有被濾除，它們將會作為信號錯誤地出現在設備輸入帶寬中。專為測量交流信號而設計的設備—— NI 455x、NI 445x和NI 447x動態信號采集(DSA)設備，NI6115同步采樣多功能I/O設備，SCXI-1141模塊都有內置的抗混頻濾波器。

　　激勵功能——對于某些傳感器信號調理也能提供激勵源。例如，應力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。用于這些傳感 器的信號調理模塊常用來提供激勵信號。RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉化為可測量電壓。應力計是阻值非常低的電阻設備，常用于配有電壓激勵源 的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵源，可配置為電流或電壓激勵，從而可用于壓力計、熱敏電阻器或RTD。

　　線性化功能——另一種常見的信號調理功能是線性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對被測量的物理量的響應是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應用軟件包包含了應用于熱電偶、壓力計和RTD的線性化功能。

　　您需要了解您的信號的特性，用于測量信號的配置以及系統周圍環境的影響。根據這些信息，您才可以確定您的DAQ系統是否需要使用信號調理。