数据采集硬件是计算机和外界之间的接口。有些数据采集设备仅拥有上述功能中的一种，很多数据采集设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。数据采集设备可用于最常用的计算机总线，包括USB、PCI、PCIExpress和以太网。最近，数据采集设备已可用于802.11无线网络进行无线通信。表3-4列出了常用数据采集总线的选择指南。......
2023-07-02
常见数据采集硬件的主要性能指标
【摘要】：数据采集硬件的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。图3-9表示了采样率对精度的影响。目前，数据采集设备种类繁多，精度和价格各异。一个普通的数据采集设备所达到的绝对精度可能超过100mV，而更高性能的设备的绝对精度甚至可能达到约1mV。
数据采集硬件的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。
1.采样率
对于数据采集设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即数据采集设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或软件定时）可达2m/s。在决定设备的采样率时，需要考虑应用中所需采集或生产信号的最高频率成分。采样率决定了模-数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。图3-9表示了采样率对精度的影响。
图3-9 采样率对精度的影响
奈奎斯特（Nyquist）采样定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量10倍的数据采集设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。例如，假设应用程序要测量的正弦波频率为1kHz。根据Nyquist定理，至少需要以2kHz进行信号采集。然而，实际上建议使用10kHz的采样频率，从而更加精确地测量或生成信号。
2.分辨率
信号中可识别的最小变化，决定了数据采集设备所需的分辨率。分辨率是指ADC可以用来表示一个信号的二进制数的位数。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。为了说明这一点，试想一个正弦波通过不同分辨率的ADC进行采集后所表示的效果会有何不同？图3-10比较了3位和16位ADC。一个3位ADC可以表示8（23）个离散的电压值，而一个16位ADC可以表示65536（216）个离散的电压值。对于一个正弦波来说，使用3位分辨率所表示的波形看起来更像一个阶梯波，而16位ADC所表示的波形则更像一个正弦波。
典型的数据采集设备的电压范围为-5～+5V或-10～+10V。在此范围内，电压值将均匀分布，从而充分地利用ADC的分辨率。例如，一个具有-10～+10V电压范围和12位分辨率（212或4096个均匀分布的电压值）的数据采集设备，可以识别5mV的电压变化；而一个具有16位分辨率（216或65536个均匀分布的电压值）的数据采集设备则可以识别到300µV的变化。大多数应用都可以使用具有12、16或18位分辨率ADC的设备解决问题。然而，如果测量传感器的电压有大有小，则需要使用具有24位分辨率的动态数据采集设备。电压范围和分辨率是选择合适的数据采集设备时所需考虑的重要因素。
图3-10 使用16位分辨率与3位分辨率来表示一个正弦波
3.增益
增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范围，使模-数转换能尽量细分输入信号。例如，当使用一个3位模-数转换，输入信号范围为0～10V，图3-11显示了给信号设置增益值的效果。当增益=1时，模-数转换只能在5V范围内细分成4份，而当增益=2时，就可以细分成8份，精度大大提高了。但是必须注意，此时实际允许的输入信号范围为0～5V。一旦超过5V，当乘以增益2以后，输入到模-数转换的数值就会大于允许值10V。
图3-11 给信号设置增益值的效果
4.精度
精度是衡量一个仪器能否忠实地表示待测信号的性能指标。这个指标与分辨率无关；然而精度大小却又绝不会超过其自身的分辨率大小。确定测量精度的方式，取决于测量装置的类型。一个理想的仪器总是能够百分之百地测得真实的值；然而在现实中，仪器所给出的值是带有一定的不确定度的，不确定度的大小由仪器的制造商给出，取决于许多因素，如系统噪声、增益误差、偏移误差、非线性等等。制造商通常使用的一个参数指标是绝对精度，它表征数据采集设备在一个特定的范围内所能给出的最大误差。例如，对于NI公司的一个设备计算绝对精度的方法如下所示：
绝对精度=（[读值*增益误差]+[电压范围*偏移误差]+噪声不确定度）
值得注意的是，一个仪器的精度不仅取决于仪器本身，还取决于被测信号的类型。如果被测信号的噪声很大，则会对测量的精度产生不利的影响。目前，数据采集设备种类繁多，精度和价格各异。有些设备可提供自校准、隔离等电路来提高精度。一个普通的数据采集设备所达到的绝对精度可能超过100mV，而更高性能的设备的绝对精度甚至可能达到约1mV。一旦确定了应用中所需的精度要求，就可以选择一个具有合适绝对精度的数据采集设备。
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2023-07-02
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