数据采集(DAQ)基础知识

越校图3显示了一个正弦波和使用一个理想的3位模数转换器所获得相应数字图像。一个3位变换器（此器件在实际中很少用到，在此处是为了便于说明）可以把模拟范围分为23，或8个区间。

每一个区间都由在000至111内的一个二进制码来表示。很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法，这是由于在转换过程中会丢失信息。然而，当分辨率增加至16位时，模数转换器的编码数目从8增长至65,536，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，您可以对模拟信号进行非常准确的数字化。

图3 . 三位分辨率下正弦波的数字化

量程－量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。NI公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，您可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。

编码宽度－数据采集设备上可用的量程、分辨率和增益决定了最小可探测的电压变化。此电压变化代表了数字值上的最低有效位 1（LSB），也常被称为编码宽度。理想的编码宽度为电压范围除以增益和2的分辨率次幂的乘积。例如，NI的一种16位多功能数据采集设备--NI 6030E，，它可供选择的范围为0～10V或－10～10V；可供选择的增益：1，2，5，10，20，50或100。当电压范围为0～10V，增益为 100时，理想的编码宽度由以下公式决定：

模拟输入的重要因素－尽管前面所提到的数据采集设备具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采样率这样的基本指标，但是您可能无法在16个通道上进行全速采样，或者得不到满16位的精度。例如，目前市场上的某些带有16位ADC的产品所得到的有效数据要低于12位。为了确定您所要用的设备是否能满足您所期待的结果，请仔细审查那些超出产品分辨率的技术指标。

评估数据采集产品时，还需要考虑微分非线性度(DNL)、相对精度、仪用放大器的稳定时间和噪声等。

微分非线性度（DNL）--在理想情况下，当您提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应该线性增加。如果您对一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘出的线应是一条直线。这条理想直线的离差被定义为非线性度。DNL是指以LSB为测量单位，和1LSB 理想值的最大离差。一个理想的数据采集设备的DNL值为0，一个好的数据采集设备的DNL值应在±0.5 LSB以内。

对于一个编码应该有多宽，我们没有更多的限制。编码不会比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一个性能较差的数据采集设备可能有一个等于或非常接近零的编码宽度，这意味着会有一个丢失码。对一个有丢失码的数据采集设备无论输入什么电压，设备都无法将此电压量化为丢失码

所表示的值。有时DNL指标显示数据采集设备没有丢失码，这意味着DNL低于–1 LSB，但是没有上边界的技术指标。所有NIE系列设备都保证没有丢失码，并且其技术说明上清楚地标明DNL的技术指标，因此您就可以知道设备的线性度。

如果以上文提到的数据采集设备为例，其编码宽度为1.5 μV，略高于500 μV时会有一个丢失码，此时，增加电压至502 μV的情况将不会被探测到。在这个例子中，只有电压值再增加一个LSB，大于503 μV时，电压改变值才能被探测到。因此较差的DNL会降低设备的分辨率。

相对精度－相对精度是指相对理想数据采集的转换函数（一条直线），最大离差的LSB测量位数。数据采集设备的相对精度是通过连接一个 负的满量程电压来确定的，采集电压，增加电压值，重复这些步骤直至覆盖设备的整个输入范围。当描绘这些数字化点时，结果应是如图4(a)所示的一条近似直 线。然而，当您从数字化值中减去理想直线值，可描绘出这些计算结果所得到的点，如图4(b)所示。距零的最大离差值即为设备的相对精度。

图4.决定一个数据采集设备的相对精度。图4(a)显示了通过扫描输入而产生的一条近似的直线

图4(b) 显示，通过减去理论计算的直线数值得到的图形显示实际上并不是直的

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。

稳定时间--稳定时间是指放大器、继电器、或其它电路达到工作稳定模式所需要的时间。当您在高增益和高速率下进行多通道采样时，仪用放大器是最不容易稳定下来的。在这种条件下，仪用放大器很难追踪出现在多路复用器不同通道上的大变化的信号。一般而言，增益越高并且通