数据采集的一些基础知识

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，增益越高并且通道的切换时间越短 时，仪用放大器越不容易稳定。事实上，没有现成的可编程增益放大器可在2μs时间内、增益为100时，稳定地达到12位精度。NI为数据采集应用专门开发 了NI-PGIA，所以应用NI-PGIA的设备在高增益和高采样速率下具有一致的稳定时间。

　　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6（a）是NI AT-MIO-16XE-10；图6（b）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最大变化速率。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。

　　关于应用方面的一个例子是音频信号的产生，它需要上述参数具有高性能指标。数模转换器需要一个高的转换速率和小的稳定时间来产生高频率信号来覆盖音 频范围。与此相对照，另一个应用示例是利用一个电压信号源来控制一个加热器，它不需要高速数/模转换。这是因为加热器对电压值的改变不能很快地响应，没有 必要使用高速数/模转换器。

　　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