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各行各業都存在一個日漸增長的趨勢，即設計功能豐富的產品。產品中加入的功能越多，測試開發就越復雜。 那么，您是如何縮短測試開發周期，選擇正確的元器件和設置來優化測試時間，以及提高測試系統精度的？您需要在滿足市場需求和項目截止日期的同時實現所有這些目標。數據采集系統可以幫助您實現所有這些目標。
將 DAQ 用作數據記錄儀時需要考慮的四件事
組成典型數據采集系統（DAQ）的元器件概述以及不同元器件類型和配置的優缺點
數據采集系統旨在收集有用的測量數據來進行表征、監測或控制。
對產品進行表征時，您可能需要：
• 測量多個輸入，如十個溫度點
• 測量多種輸入（如電壓、電流、溫度）
• 優化測試精度和測量速度
在監控產品或流程時，您可能需要：
• 定期記錄讀數，如每分鐘一次，記錄 36 小時
• 在將數據記錄到文件進行后處理分析的同時對數據進行預處理或計算
• 觸發外部警報燈、警報器或控制系統以采取糾正措施
如需對測試過程加以控制時，您需要：
• 提供控制執行器、電機的模擬輸出信號
• 提供控制器件的數字輸出信號
• 使用切換卡路由信號，以便為測試信號供電或將其連接到器件 在從物理到電氣部分會更對變送器進行更深入的探討。
測量硬件是 DAQ 系統的輸入部分。它由模擬輸入、數字輸入和計數器輸入組成。
模擬輸入
模擬輸入通常是從變送器獲取的直流電壓。測得的電壓可能與特定的溫度、壓力、流量或速度對應。模擬直流電壓由 DAQ 系統的模數轉換器（ADC）轉換為數字數據。ADC 轉換技術有很多種，通常分為兩類：積分和非積分。積分技術測量指定時間間隔內的平均輸入值，從而抑制許多噪聲源。非積分技術在非常短的時間間隔內對輸入（加上噪聲）的瞬時值進行采樣。
數字輸入
某些數據采集系統包含數字輸入卡，該卡通過檢測數字位模式判定外部器件是否開啟。數字輸入卡通常包含 8 個、16 個或 32 個通道，可用于監控多個外部器件。例如，數字輸入卡可以連接操作面板，以確定面板上各種開關的位置。
計數器輸入
某些數據采集系統包含一個計數器卡，可用于對來自外部器件的事件進行計數。例如，計數器卡可用于數字脈沖的計數（總計），或是計算數字脈沖的持續時間（脈沖寬度）或數字脈沖的速率（頻率）。
控制硬件是 DAQ 系統的輸出部分。它主要由模擬輸出、數字輸出和控制開關輸出組成。
模擬輸出
某些數據采集系統包含數模轉換器（DAC），它的功能與模數轉換器（ADC）相反。DAC 解析來自控制硬件的命令并輸出相應的數字電壓或電流。輸出保持在此水平，直到控制硬件指示 DAC 輸出新值。來自 DAC 的電壓或電流可用于控制風扇的速度、閥門位置或泵流速。DAC 通常用于需要精確控制外部器件的應用。
數字輸出
某些數據采集系統包含數字輸出卡，該卡解析來自控制硬件的命令并輸出相應的數字位模式。數字輸出卡通常用于控制燈光，或將數字控制信號發送到外部器件。
控制切換輸出
對于控制應用，可以使用切換卡形成完整電路，從而為外部風扇、泵或閥門供電。切換卡（通常稱為執行器）的操作非常類似于向外部器件供電的燈開關。在需要切換高壓和高功率的應用中，通常用切換卡來代替數字輸出卡。
切換硬件
簧片和電樞繼電器這樣的機電開關在低速應用中很常見。一個關鍵的優點是它們能夠切換高電壓和電流電平，但它們的切換速率僅限于每秒幾百個通道。而且，由于它們是機械裝置，因此最終會磨損。場效應晶體管（FET）和固態繼電器這樣的電子開關通常用于高速應用。除了具有快速切換功能之外，它們不包含任何活動部件，因此不會磨損。電子開關的缺點是它們通常不能處理高電壓或高電流，并且必須具有高阻抗才能保護自身免受輸入尖峰和瞬變的影響。
信號調理硬件
在將信號發送到測量硬件之前，信號調理可對信號進行放大、衰減、線性化處理或隔離來自變送器的信號。信號調理將信號轉換為系統更好測量的形式，在某些情況下，能使信號可以被測量。 信號調理的示例（圖 3）包括：
• 放大小信號
• 衰減大信號
• 用于溫度測量的熱電偶補償
• 濾波以消除系統噪聲
可能的應用
DAQ 用在哪些地方？
• 化學反應器的溫度曲線
• 下雨時衛星通信信號的衰減
• 食品儲存的濕度測量
• 智能建筑中的 HVAC 應用
• 電動汽車性能監測
• 冰箱的冷卻效率
• 熱電實驗室熱傳導
• 潮汐現象
• 太陽能研究
• 風向和風速
• 電池和燃料電池測試
這些應用有什么共同之處？
不同時間的數據記錄 ，溫度曲線 ，耐久性和可靠性測試
DAQ 分為幾種不同類型。它們各自的基礎架構大體相同，如最后幾頁所述，但外形有不同之處。
1. 基于 PXIe 的 DAQ 具有：
• 高速測量、多個并行同步測量功能，可選擇多路復用多達四倍的通道
• 高分辨率
• 大輸入范圍
• 常用于：航空航天與國防、汽車行業
2. 高性能多功能切換/測量單元具有：
• 高掃描速率，最高 1000 通道/秒
• 在一個主機中提供多達 560 個雙線通道或 4096 個矩陣交點
• 常用于：不同行業的大規模測試系統
3. 通用 DAQ 和開關單元具有：
• 高達 450 通道/秒的掃描速率，滿足許多一般應用的要求
• 最多 120 個 2 線通道
• 常用于：不同行業的中小型測試系統
4. USB DAQ 具有：
• 性能較低的低成本解決方案
• 常用于：教育，小規模項目測試系統
檢查將物理參數轉換為模擬電信號的傳感器類型和信號調理元器件。
將物理參數轉換為電信號
變送器（或傳感器）是將物理參數（如溫度、流量、壓力、應力等）轉換為電參數（如電壓、電流、電阻等）的器件，參見圖 5。電氣參數由測量硬件測得，結果轉換為工程單位。例如，在測量熱電偶時，測量硬件實際讀取直流電壓，然后使用數學算法將其轉換為對應的溫度。圖 6 所示為幾種類型的變送器及其對應的輸出。
傳感器是將物理參數轉換為電信號的一種變送器。在前文中我們討論了許多類型的傳感器，如熱電偶、熱敏電阻、旋轉編碼器等。
傳感器可進一步分類為無源傳感器或有源傳感器。
當相應的物理參數發生變化時，無源傳感器的電阻、電容或電感特性也會發生變化。它們需要外部電源來產生電輸出。舉例來說，熱敏電阻不產生電信號，而是會對應溫度變化改變電阻值。如果在其電阻上引入電流，就可以測量輸出電壓來檢測溫度變化。
當外部物理環境發生變化時，有源傳感器會產生電流。這種傳感器包括熱電偶、壓電傳感器和光電二極管。
執行器與傳感器正好相反。它將電信號轉換成物理參數，即物理運動或聲音。數據采集系統可配備模擬或數字輸出信號，以控制執行器來控制溫度、控制流體流量、施加壓力或是用電機驅動運動。
傳感器和執行器通常一起工作。汽車就是一個很好的例子。
在汽車上，傳感器測量油的流量、水溫等。這些數據傳送到汽車的計算機，計算機對數據進行分析并激活某些執行器。對于配備了防撞系統的汽車，速度傳感器和雷達將數據反饋至汽車的計算機。如果計算機檢測到即將發生碰撞，它會激活執行器（在這種情況下是制動器）來使汽車減速。
溫度傳感器有幾種類型可供選擇。
熱電偶、電阻溫度檢測器（RTD）和熱敏電阻是目前使用的三種最常見的傳感器。
常用的溫度傳感器是熱電偶，因為它具有多功能性。熱電偶由兩根不同的金屬絲制成，它們焊接在一起形成小珠。熱電偶成本低廉、堅固耐用，可長距離運行，能自行供電，有多種類型覆蓋各種溫度范圍。
RTD 在技術層面包括熱敏電阻器件，然而，“RTD"這一術語已經用于表示專門的純金屬探測器而不是更為普通的半導體電阻元件。RTD 可在很長一段時間內保持精度和穩定性。
熱敏電阻是一種能隨溫度改變其電阻值的器件。它們與溫度成反比，即隨著溫度升高，元素的電阻降低。
將電信號從傳感器傳遞到測量系統的介質的關鍵考慮因素
屏蔽雙絞線需求
一旦我們使用傳感器將物理現象轉換為電信號，我們就想要將其發送給儀器。這樣做可能會遇到很多問題，特別是當我們使用錯誤的電纜或連接不正確時。大多數人遇到的主要問題是噪聲。
一種降低系統噪聲的方法是始終使用屏蔽雙絞線電纜。線束中的每對導線絞合在一起，這樣可以減少來自其他導線對的串擾干擾。
屏蔽電線可減少電磁和射頻干擾。
智能電話、筆記本電腦或其他電子設備之類的個人設備都是電磁波的源頭，會將噪聲引入我們想要在儀器中測量的電信號。
試想一下：
家里的音頻設備總是使用屏蔽電纜來獲得純凈的聲音，那在工作測量中我們為何不同樣這么做呢？
DAQ 的電纜和信號輸入既可以是單端輸入，也可以是差分輸入。選擇任何一種類型的電纜都有明顯的優缺點，但差分輸入的優點比單端電纜更多一些。差分信號通常與緊密雙絞線結合使用，以減少或抵消電磁噪聲的產生。因此，它具有出色的信噪比和較少的定時誤差。
選擇差分而不是單端有如下幾個原因：
1. 減少 EMI 或電磁干擾。
2. 減少來自附近電纜的串擾或干擾。
3. 傳輸極低電壓信號，特別是毫伏范圍的信號。低壓信號易受噪聲干擾。
4. 傳輸低壓數字信號以節省功率。
5. 實現數字信號交叉或數字切換的精確定時。
差分信號具有出色的信噪比。它通常與雙絞線一起使用。
某些數據采集系統具有內置的隔離輸入。隔離輸入有什么好處？
1. 作為用戶，隔離可為您帶來安全保護，通過施加屏障將您與高壓隔離。
2. 隔離會斷開接地回路，從而提供更好的測量精度。
關于隔離您還應該知道什么？
1. 隔離可以是數字隔離，也可以是模擬隔離。數字信號往往具有可能對小模擬信號有害的諧波，并且在放大時可能會變得更糟。在兩側進行隔離有助于更準確的測量。
2. 某些 DAQ 系統會指示儀器內置隔離的類型和程度。某些隔離可以是通道到通道隔離或通道到地隔離。
隔離輸入提供安全屏障， 斷開接地回路，防止通道之間產生串擾
電纜上的主要噪聲源之一為電源線（圖 11）。我們討論過幾種消除或降低噪聲的方法，例如差分信令、使用屏蔽雙絞線電纜和隔離輸入。下面我們來討論抑制電源線噪聲的另一種方法。
某些 DAQ 系統具有內置的積分模數轉換器。這類模數轉換器可以抑制電源線噪聲，稱為串模抑制（NMR）。它通過測量平均直流輸入（在固定周期內積分）來實現抑制。這一周期通常大于電源線周期（PLC）。
如果將積分時間周期設置為雜散輸入的電源線周期的整數值，那么這些誤差（及其諧波）的平均值約為零。
PLC 的數量和測量速度之間存在折衷。增加 PLC 的數量意味著模數積分時間更長。基本上，您會犧牲測量速度來獲得更好的 NMR。
噪聲抑制很重要，特別是要盡量控制接地環路的影響。
如果被測器件（DUT）、DAQ 和萬用表以公共接地為參考，則會產生接地回路。如果兩個接地參考點之間產生電壓，那么該電壓會表現為測量中的誤差。圖 13 中的電路顯示 DMM 和 DUT 接地參考之間出現了電壓。該接地電壓造成電流流 兩根接地引線之間的 LO 測量引線，帶來偏置電壓和噪聲。這樣會造成誤差電壓（VL），從而導致萬用表測量不準確。
那么，如何將 Vground 或接地噪聲電壓控制到滿意？
1. 可以使用大 DMM 隔離電阻。對于直流接地回路，只要 DMM 隔離電阻（Ri）的值（意味著兩個電位之間的空氣）較大，在測量 mV 及以上電壓時，誤差會相當微不足道。
2. 保持低電平信號的接地路徑盡可能短。這適用于直流接地回路。
3. 來自接地回路的更大噪聲和誤差源是交流分量。在大多數低頻應用中，接地回路噪聲來自 50 或 60 Hz 電源線。使用 DMM 的模數積分器來消除串模噪聲。
4. 如果您的測試環境包含高頻信號、高速數字信號或是中繼或電機等噪聲分量，最好將敏感電壓測量值放到單獨的接地電位上。
精度、速度和分辨率之間的關系及其相互作用對測量保真度的影響
影響測量保真度的因素
進行測量設置時，您始終希望確保測量結果具有高保真度。這意味著您的儀器和測量具有高度精度和分辨率。
調整測量設置時的另一個重要考慮因素是測量速度。但是，儀器上沒有按鈕或旋鈕可以向上或向下調節速度。測量速度通常受其他測量設置的影響。這些設置包括分辨率、平均值的使用、校準、降噪程度等。
因此，精度、速度和分辨率會相互作用并對測量保真度產生影響。
這是 DAQ 系統進行的電壓測量，向我們展示了精度與分辨率之間的關系。參見圖14 中的插圖。
• 分辨率指可以測量的詳細程度，或有效位數。
• 精度衡量這些數字的好壞程度，或者您可以信任它們的程度。
我們來看一下示例（圖 15）中的最后一位數字 — 數字“7"。由于我們在 100 mV 范圍內，數字“7"代表 700 nV。因此，在 100 mV 范圍內，我們的分辨率是 100 nV。
但是，實際值真的是 700 nV 嗎？也許如此。與實際值相差 700 nV 就是我們所說的精度。
因此，具有更高的分辨率并不一定意味著您具有更高的精度。
精度較低的 6.5 位電壓表 并不比精度高的 5.5 位電壓表好。
那么速度呢？它與分辨率有何關系？
速度是 ADC 捕獲數據樣本的迅捷程度，或者是樣本之間所用時間的度量。圖 16為是德科技萬用表與其他品牌萬用表之間的比較，可以解釋速度對分辨率的影響。
在圖表中，Keysight DAQ970A（集成了 6.5 位 DMM）用藍線表示，是德科技的 34470A（7.5 位萬用表）用紅線表示?！捌渌?線是一臺具有 7.5 位萬用表的 DAQ，用綠線表示。當采樣速度增加時，您可以看到綠色的分辨率迅速下降。當速度超過 300 個樣本/秒時，競品“其他"的 7.5 位萬用表的分辨率為三者中最好選擇。
由此可知，當 ADC 采樣速度增加時，分辨率會降低。檢查技術參數以確定不同速度下 DAQ 的分辨率，確認 DAQ 的最高要求速度實際上能滿足您的分辨率要求。
靈敏度指的是可以檢測到的測量信號的最小變化。它取決于儀器的分辨率和低測量范圍。使用正確的范圍對于測量信號的最小變化非常重要。范圍越小，我們可以檢測到的變化就越小。
例如，在圖 17a 中，DAQ 萬用表在 10 V 范圍的靈敏度為 10 μV。（最后一位為10-微伏位）。
但是，在圖 17b 中，同一 DAQ 萬用表在 300 V 范圍的靈敏度為 1000 μV 或1 mV。（基于最后一位）。
因此，您可以將范圍降低，而不會出現“過載"錯誤（測量值超出范圍），從而最大限度地提高測量靈敏度。
使用正確的范圍可確保您能夠測得測量信號的最小變化。
總而言之，我們以熱電偶的溫度精度為例來說明為什么沿測量路徑進行觀察非常重要。
雖然熱電偶看起來像一個一端連接兩根導線用于測量的簡單傳感器。但是，為了準確測量熱電偶接點的電壓，有幾個方面需要考慮。
1. 我們需要確保熱電偶的結構合理，并且具有正確的工作精度。
2. 我們需要一個冷接點參考來消除 DAQ 端子連接點的熱電偶效應。
3. 我們需要將熱電偶的非線性電壓測量值轉換為溫度讀數。數學函數必須內置到DAQ 中，以便將非線性電壓讀數轉換為溫度。
為了提高精度，我們需要考慮 DAQ 系統的每個元器件，包括傳感器、電纜、信號 調理和 ADC。這些階段的任何誤差或錯誤都會導致結果不準確。
• 內置 6.5 位數字萬用表讓您能測量非常低的電流范圍（1 µA 直流和 100 µA 直流）和較高的電阻范圍（1000 MΩ）。
• 快速了解多種信號類型和傳感器的信息。數據采集易于配置和運行，無需編程。
• 一種新型固態多路復用器，具有更快的切換速度（在 7 個現有模塊之上）。
• BenchVue DAQ 應用軟件。無需編程即可輕松配置測量和測試自動化。
• 內置內部模塊校準可降低熱電壓偏置誤差。
• 更高的性能和靈活性，同時保持與 34970A/72A 的兼容性。
我們的優勢：是德、泰克、日置、固緯、艾德克斯、普源、同惠、鼎陽、安柏等。
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