數(shù)據(jù)采集卡（數(shù)字信號(hào)自動(dòng)采集）

數(shù)據(jù)采集卡（數(shù)字信號(hào)自動(dòng)采集）

數(shù)據(jù)采集卡 （數(shù)字信號(hào)自動(dòng)采集） 次瀏覽 | 2022.09.17 09:43:15 更新 來(lái)源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字信號(hào)自動(dòng)采集

數(shù)據(jù)采集是指對(duì)設(shè)備被測(cè)的模擬或數(shù)字信號(hào)，自動(dòng)采集并送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。從工程應(yīng)用開發(fā)的角度出發(fā)，介紹PCI硬件設(shè)備以及驅(qū)動(dòng)程序的基本原理，對(duì)PCI總線各個(gè)接口進(jìn)行說(shuō)明，以PCI9052為例詳細(xì)討論利用DDK開發(fā)PCI設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)問題，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

中文名

數(shù)據(jù)采集卡

外文名

Data?Acquisition?Board

簡(jiǎn)稱

DAQ

定義

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡

功能

模擬輸入、模擬輸出等

所屬領(lǐng)域

計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等

分類

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。

按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。

根據(jù)總線的不同，可分為PXI/CPCI板卡和PCI板卡。

功能

一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

模擬輸入是采集最基本的功能。它一般由多路開關(guān)（MUX）、放大器、采樣保持電路以及A/D來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過這些部分，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的A/D。

模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的D/A可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。如果用D/A的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)一個(gè)加熱器，就不需要使用速度很快的D/A，因?yàn)榧訜崞鞅旧砭筒荒芎芸斓馗欕妷鹤兓Ｒ虼耍瑧?yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇D/A的參數(shù)指標(biāo)。

數(shù)字I/O通常用來(lái)控制過程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（line）、接收（發(fā)送）率、驅(qū)動(dòng)能力等。如果輸出去驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燈、開關(guān)型加熱器等用電器，就不必要求較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。但加上合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的TTL電平信號(hào)去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字I/O常見的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。

許多場(chǎng)合都要用到計(jì)數(shù)器，如定時(shí)、產(chǎn)生方波等。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)使計(jì)數(shù)器工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)；時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。

技術(shù)參數(shù)

數(shù)據(jù)采集卡主要技術(shù)參數(shù)有如下幾個(gè)指標(biāo)：

（1）通道數(shù)：即板卡可以采集幾路信號(hào)，分為單端和雙端（差分）。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路。

（2）采樣頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T=10us，則其采樣頻率f=1/T為100K（即100kHz），即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。常有100K、250K、500K、800K、lM、40M等。

（3）緩存：主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。帶緩存板卡可以設(shè)置采樣頻率，否則不可改變。緩存有RAM和FIFO兩種。FIFO主要用作數(shù)據(jù)緩沖，存儲(chǔ)量不大，速度快；RAM一般用于高速采集卡，存儲(chǔ)量大，速度較慢。

（4）分辨率：采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等。如12位分辨率，當(dāng)電壓量程為5000mV，單位增量為（5000mV）/4096=1.22mV（注：2的12次方為4096）。

（5）精度：測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，即測(cè)量準(zhǔn)確度。一般用滿量程FSR（Full?Scale?Range）的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等。如滿量程范圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則誤差在10mV以內(nèi)。

（6）量程：輸入信號(hào)的幅度，常用有±5V、±10V0～5V、0~10V。

（7）增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益。通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大，有兩種型號(hào)PGA202（1、10、100、1000）和PGA203（1、2、4、8）的增益芯片。

（8）觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。

選型

一般數(shù)據(jù)采集卡選型，按如下步驟進(jìn)行，詳細(xì)指標(biāo)請(qǐng)參閱相應(yīng)產(chǎn)品的樣本或選型指南。

1.明確應(yīng)用需求

在選擇數(shù)據(jù)采集卡之前，必須全面分析應(yīng)用需求，充分了解各種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的特點(diǎn)、支持的開發(fā)平臺(tái)種類、運(yùn)行的操作系統(tǒng)環(huán)境以及開發(fā)難度等，然后根據(jù)有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行合理選擇。

2.選擇總線的考慮

應(yīng)用較廣的包括PCI、PXI、USB、ISA等多種總線結(jié)構(gòu)，不同的總線具有不同的傳輸速度、電氣特性、結(jié)構(gòu)尺寸、配置過程等，用戶要根據(jù)自己所需的特性來(lái)選擇。

3.選擇采樣率的考慮

系統(tǒng)的最高采樣率取決于ADC芯片變換模擬信號(hào)的速率，通常單位是SPS（采樣點(diǎn)/s）。根據(jù)奈奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號(hào)中最高有效頻率的兩倍以上，否則會(huì)產(chǎn)生混疊信號(hào)失真，俗稱“假頻”。對(duì)于很多用戶，可能需要仔細(xì)觀察分析信號(hào)的細(xì)節(jié)，往往需要更高的采樣速率，通常建議選用最高采樣率大于信號(hào)最高頻率分量的5~10倍的采集卡。

4.選擇分辨率和量程范圍的考慮

首先是分辨率。分辨率越高，輸入信號(hào)的細(xì)分程度就越高，能夠識(shí)別的信號(hào)變化量就越小。舉個(gè)實(shí)例：一個(gè)正弦波信號(hào)，采用分辨率為8bit，A/D轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)字結(jié)果相當(dāng)于把輸入范圍細(xì)分為256份，一些微小細(xì)節(jié)變化在A/D轉(zhuǎn)換過程中就會(huì)丟失，這正是由于分辨率不夠高，在還原數(shù)據(jù)中產(chǎn)生量化噪聲造成的。若采用分辨率為16bit，A/D轉(zhuǎn)換的細(xì)分?jǐn)?shù)值就可以從256增加到65536，由量化信噪比為SNR（dB）=（6.02×bit）+1.76，可知量化位數(shù)越多信噪比就越高。

在確定了A/D轉(zhuǎn)換分辨率的情形下，應(yīng)按照保證信號(hào)量化噪聲較低，信噪比較高的原則，選擇一個(gè)合適的量程，再通過信號(hào)調(diào)理將被采集信號(hào)調(diào)理在這個(gè)合理的量程內(nèi)。

5.選擇合適的產(chǎn)品型號(hào)

最后，還有輸入阻抗、輸出阻抗、通道數(shù)、信號(hào)線數(shù)、隔離等技術(shù)問題需要考慮，這些都與傳感器和信號(hào)調(diào)理密切相關(guān)，必須結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一考慮。在上述各指標(biāo)選定以后，用戶可根據(jù)“功能夠用”的原則，選擇符合要求的采集卡，找到合適的采集卡型號(hào)。不要盲目購(gòu)買價(jià)格貴、功能超強(qiáng)的設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)精度要求不是很高、采樣頻率較低時(shí)，PCI和USB總線的數(shù)據(jù)采集卡都可以滿足要求；若工作環(huán)境比較惡劣，可以采用工控機(jī)；當(dāng)采集精度要求較高，采樣頻率很高，工作環(huán)境比較惡劣時(shí)優(yōu)先選用PXI類型的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。

參考資料