数据采集卡

作者:火博app 发布时间:2021-01-20 13:52

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  数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号,自动采集并送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡,即实现数据采集功能的计算机扩展卡,可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线]

  按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A/D卡)、模拟量输出板卡(D/A卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能,如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。

  一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等,这些功能分别由相应的电路来实现。

  模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关(MUX)、放大器采样保持电路以及A/D来实现,通过这些部分,一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量,要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

  模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器(D/A)的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器,就不需要使用速度很快的D/A,因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。因此,应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

  数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括:数字口路数(line)、接收(发送)率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器,就不必要求较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合,而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备,仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是重要参数,应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

  许多场合都要用到计数器,如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号:门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作;计数信号也即信号源,它提供了计数器操作的时间基准;输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率,高分辨率意味着计数器可以计更多的数;时钟频率决定了计数的快慢,频率越高,计数速度就越快。

  (1)通道数:即板卡可以采集几路信号,分为单端和双端(差分)。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路。

  (2)采样频率:单位时间采集的数据点数,与AD芯片的转换一个点所需时间有关,例如:AD转换一个点需要T=10us,则其采样频率f=1/T为100K(即100kHz),即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。常有100K、250K、500K、800K、lM、40M等。

  (3)缓存:主要用来存储AD芯片转换后的数据。带缓存板卡可以设置采样频率,否则不可改变。缓存有RAM和FIFO两种。FIFO主要用作数据缓冲,存储量不大,速度快;RAM一般用于高速采集卡,存储量大,速度较慢。

  (4)分辨率:采样数据最低位所代表的模拟量的值,常有12位、14位、16位等。如12位分辨率,当电压量程为5000mV,单位增量为(5000mV)/4096=1.22mV(注:2的12次方为4096)。

  (5)精度:测量值和真实值之间的误差,即测量准确度。一般用满量程FSR(Full Scale Range)的百分比表示,常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等。如满量程范围为0~10V,其精度为0.1%FSR,则误差在10mV以内。

  (6)量程:输入信号的幅度,常用有±5V、±10V0~5V、0~10V。

  (7)增益:输入信号的放大倍数,分为程控增益和硬件增益。通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大,有两种型号PGA202(1、10、100、1000)和PGA203(1、2、4、8)的增益芯片。

  一般数据采集卡选型,按如下步骤进行,详细指标请参阅相应产品的样本或选型指南。

  在选择数据采集卡之前,必须全面分析应用需求,充分了解各种数据采集产品的特点、支持的开发平台种类、运行的操作系统环境以及开发难度等,然后根据有关指标进行合理选择。

  应用较广的包括PCI、PXI、USB、ISA等多种总线结构,不同的总线具有不同的传输速度、电气特性、结构尺寸、配置过程等,用户要根据自己所需的特性来选择。

  系统的最高采样率取决于ADC芯片变换模拟信号的速率,通常单位是SPS(采样点/s)。根据奈奎斯特采样理论,采样频率必须是信号中最高有效频率的两倍以上,否则会产生混叠信号失真,俗称“假频”。对于很多用户,可能需要仔细观察分析信号的细节,往往需要更高的采样速率,通常建议选用最高采样率大于信号最高频率分量的5~10倍的采集卡。

  首先是分辨率。分辨率越高,输入信号的细分程度就越高,能够识别的信号变化量就越小。举个实例:一个正弦波信号,采用分辨率为8bit,A/D转换所获得的数字结果相当于把输入范围细分为256份,一些微小细节变化在A/D转换过程中就会丢失,这正是由于分辨率不够高,在还原数据中产生量化噪声造成的。若采用分辨率为16bit,A/D转换的细分数值就可以从256增加到65536,由量化信噪比为SNR(dB)=(6.02×bit)+1.76,可知量化位数越多信噪比就越高。

  在确定了A/D转换分辨率的情形下,应按照保证信号量化噪声较低,信噪比较高的原则,选择一个合适的量程,再通过信号调理将被采集信号调理在这个合理的量程内。

  最后,还有输入阻抗、输出阻抗、通道数、信号线数、隔离等技术问题需要考虑,这些都与传感器和信号调理密切相关,必须结合起来统一考虑。在上述各指标选定以后,用户可根据“功能够用”的原则,选择符合要求的采集卡,找到合适的采集卡型号。不要盲目购买价格贵、功能超强的设备。一般来说当精度要求不是很高、采样频率较低时,PCI和USB总线的数据采集卡都可以满足要求;若工作环境比较恶劣,可以采用工控机;当采集精度要求较高,采样频率很高,工作环境比较恶劣时优先选用PXI类型的数据采集产品。


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