- 數(shù)據(jù)采集的一些基礎(chǔ)知識(shí)

　　編碼寬度－數(shù)據(jù)采集設(shè)備上可用的量程、分辨率和增益決定了最小可探測(cè)的電壓變化。此電壓變化代表了數(shù)字值上的最低有效位 1（LSB），也常被稱(chēng)為編碼寬度。理想的編碼寬度為電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積。例如，NI的一種16位多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備——NI 6030E，，它可供選擇的范圍為0～10V或－10～10V；可供選擇的增益：1，2，5，10，20，50或100。當(dāng)電壓范圍為0～10V，增益為 100時(shí)，理想的編碼寬度由以下公式?jīng)Q定：

　　模擬輸入的重要因素－盡管前面所提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采樣率這樣的基本指標(biāo)，但是您可能無(wú)法在16個(gè)通道上進(jìn)行全速采樣，或者得不到滿(mǎn)16位的精度。例如，目前市場(chǎng)上的某些帶有16位ADC的產(chǎn)品所 得到的有效數(shù)據(jù)要低于12位。為了確定您所要用的設(shè)備是否能滿(mǎn)足您所期待的結(jié)果，請(qǐng)仔細(xì)審查那些超出產(chǎn)品分辨率的技術(shù)指標(biāo)。

　　評(píng)估數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品時(shí)，還需要考慮微分非線性度（DNL）、相對(duì)精度、儀用放大器的穩(wěn)定時(shí)間和噪聲等。

　　微分非線性度（DNL）——在理想情況下，當(dāng)您提高一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的電壓值時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的數(shù)字編碼也應(yīng)該線性增加。如果您對(duì) 一個(gè)理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)定電壓值與輸出碼的關(guān)系，繪出的線應(yīng)是一條直線。這條理想直線的離差被定義為非線性度。DNL是指以LSB為測(cè)量單位，和1LSB 理想值的最大離差。一個(gè)理想的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值為0，一個(gè)好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值應(yīng)在±0.5 LSB以?xún)?nèi)。

　　對(duì)于一個(gè)編碼應(yīng)該有多寬，我們沒(méi)有更多的限制。編碼不會(huì)比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一個(gè)性能較差的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能有一個(gè)等于或非常接近零的編碼寬度，這意味著會(huì)有一個(gè)丟失碼。對(duì)一個(gè)有丟 失碼的數(shù)據(jù)采集設(shè)備無(wú)論輸入什么電壓，設(shè)備都無(wú)法將此電壓量化為丟失碼所表示的值。有時(shí)DNL指標(biāo)顯示數(shù)據(jù)采集設(shè)備沒(méi)有丟失碼，這意味著DNL低于–1 LSB，但是沒(méi)有上邊界的技術(shù)指標(biāo)。所有NIE系列設(shè)備都保證沒(méi)有丟失碼，并且其技術(shù)說(shuō)明上清楚地標(biāo)明DNL的技術(shù)指標(biāo)，因此您就可以知道設(shè)備的線性度。

　　如果以上文提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為例，其編碼寬度為1.5 μV，略高于500 μV時(shí)會(huì)有一個(gè)丟失碼，此時(shí)，增加電壓至502 μV的情況將不會(huì)被探測(cè)到。在這個(gè)例子中，只有電壓值再增加一個(gè)LSB，大于503 μV時(shí)，電壓改變值才能被探測(cè)到。因此較差的DNL會(huì)降低設(shè)備的分辨率。

　　相對(duì)精度－相對(duì)精度是指相對(duì)理想數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換函數(shù)（一條直線），最大離差的LSB測(cè)量位數(shù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相對(duì)精度是通過(guò)連接一個(gè) 負(fù)的滿(mǎn)量程電壓來(lái)確定的，采集電壓，增加電壓值，重復(fù)這些步驟直至覆蓋設(shè)備的整個(gè)輸入范圍。當(dāng)描繪這些數(shù)字化點(diǎn)時(shí)，結(jié)果應(yīng)是如圖4（a）所示的一條近似直 線。然而，當(dāng)您從數(shù)字化值中減去理想直線值，可描繪出這些計(jì)算結(jié)果所得到的點(diǎn)，如圖4（b）所示。距零的最大離差值即為設(shè)備的相對(duì)精度。

　　圖4.決定一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相對(duì)精度。圖4（a）顯示了通過(guò)掃描輸入而產(chǎn)生的一條近似的直線。圖4（b） 顯示，通過(guò)減去理論計(jì)算的直線數(shù)值得到的圖形顯示實(shí)際上并不是直的

　　數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值通過(guò)乘以一個(gè)常數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓值。良好的相對(duì)精度對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備很重要，因?yàn)樗_保了將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值能被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為電壓值。獲得良好的相對(duì)精度需要正確地設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外圍的模擬電路。

　　穩(wěn)定時(shí)間——穩(wěn)定時(shí)間是指放大器、繼電器、或其它電路達(dá)到工作穩(wěn)定模式所需要的時(shí)間。當(dāng)您在高增益和高速率下進(jìn)行多通道采樣時(shí)，儀用 放大器是最不容易穩(wěn)定下來(lái)的。在這種條件下，儀用放大器很難追蹤出現(xiàn)在多路復(fù)用器不同通道上的大變化的信號(hào)。一般而言，增益越高并且通道的切換時(shí)間越短 時(shí)，儀用放大器越不容易穩(wěn)定。事實(shí)上，沒(méi)有現(xiàn)成的可編程增益放大器可在2μs時(shí)間內(nèi)、增益為100時(shí)，穩(wěn)定地達(dá)到12位精度。NI為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā) 了NI-PGIA，所以應(yīng)用NI-PGIA的設(shè)備在高增益和高采樣速率下具有一致的穩(wěn)定時(shí)間。

　　噪聲－在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)字化信號(hào)中不希望出現(xiàn)的信號(hào)即為噪聲。因?yàn)镻C是一個(gè)有噪聲的數(shù)字化環(huán)境，所以在插入式設(shè)備上作采集工作需 要經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬電路設(shè)計(jì)人員在多層數(shù)據(jù)采集設(shè)備上精心布線。簡(jiǎn)單地把一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儀用放大器和總線接口電路布置在一個(gè)一層或兩層板上，這樣開(kāi)發(fā)出的 設(shè)備會(huì)有非常大的噪聲。設(shè)計(jì)者可以在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中使用金屬屏蔽來(lái)降低噪聲。恰當(dāng)?shù)钠帘尾粌H用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備上敏感的模擬部分，而且體現(xiàn)在設(shè)備的板層間使 用接地層。

　　圖5顯示了當(dāng)輸入范圍為±10 V，增益為10時(shí)的一個(gè)直流噪聲。當(dāng)1 LSB = 31 μV，20 LSB噪聲水平相當(dāng)于620 μV的噪聲電壓。圖6顯示了兩個(gè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的直流噪聲曲線，它們使用的是相同的ADC，兩個(gè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的質(zhì)量可由這些噪聲曲線來(lái)決定——噪聲的范圍和 分布情況。從圖6a的曲線可以看出，NIAT-MIO-16XE-10，在0處有高的采樣分布，而它在其它碼值上的點(diǎn)數(shù)量極少。這種分布為高斯分布，它是 隨機(jī)噪聲。從曲線可以得知，峰值噪聲在±3 LSB以?xún)?nèi)。在圖6b中，此產(chǎn)品是另一家廠商生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它的噪聲分布很不同。設(shè)備生成的噪聲高于20 LSB，出現(xiàn)了許多非期望值的采樣點(diǎn)。

　　圖5當(dāng)信號(hào)通過(guò)切換40路DC信號(hào)的多路復(fù)用器輸入儀用放大器時(shí)，表現(xiàn)為一個(gè)高頻率AC信號(hào)

　　圖6 盡管采用了相同16位ADC，兩種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的噪聲曲線還是具有明顯的不同。圖6（a）是NI AT-MIO-16XE-10；圖6（b）是另一家廠商的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。

　　對(duì)于復(fù)雜的測(cè)量硬件如插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)所使用設(shè)備的不同，您所得到的精度有很大的差別。NI一直致力于提供高精度的產(chǎn)品，在許多情況下，這 些產(chǎn)品的精度甚至比臺(tái)式儀器還要高。在NI產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范中有這些精度的說(shuō)明。同時(shí)您要注意那些沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明的板卡；所省略的技術(shù)指標(biāo)可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不 精確。通過(guò)評(píng)估更多的模擬輸入技術(shù)指標(biāo)，而不是簡(jiǎn)單地參考模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，您可以確定所選的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品對(duì)于您的應(yīng)用是否具有足夠的精度。