Prezentare generală

Cu multe dispozitive de achiziție de date (DAQ) din care să alegeți, poate fi dificil să îl selectați pe cel potrivit pentru aplicația dvs. Această lucrare prezintă cinci întrebări pe care trebuie să le puneți atunci când selectați hardware-ul.

Ce tipuri de semnale am nevoie pentru a măsura sau genera?

Diferite tipuri de semnale trebuie măsurate sau generate în moduri diferite. Un senzor (sau traductor) este un dispozitiv care convertește un fenomen fizic într-un semnal electric măsurabil, cum ar fi tensiune sau curent. De asemenea, puteți trimite un semnal electric măsurabil la senzor pentru a crea un fenomen fizic. Din acest motiv, este important să înțelegem diferite tipuri de semnale și atributele corespunzătoare ale acestora. Pe baza semnalelor din aplicația dvs., puteți începe să considerați ce dispozitiv DAQ să utilizați.

Funcțiile dispozitivelor DAQ

■ Intrările analogice măsoară semnale analogice

■ Ieșirile analogice generează semnale analogice

■ Intrările/ieșirile digitale măsoară și generează semnale digitale

■ Contoarele/cronometrele numără evenimentele digitale sau generează impulsuri/semnale digitale

Există dispozitive dedicate doar uneia dintre funcțiile enumerate mai sus, precum și dispozitive multifuncționale care le suportă pe toate. Puteți găsi dispozitive DAQ cu un număr fix de canale pentru o singură funcție, incluzând intrări analogice, ieșiri analogice, intrări/ieșiri digitale sau contoare; dar, ar trebui să luați în considerare achiziționarea unui dispozitiv cu mai multe canale, decât este momentan nevoie, pentru a putea crește numărul de canale, dacă este necesar. Dacă achiziționați un dispozitiv care are capabilități doar pentru aplicația dvs. curentă, va fi dificil să adaptați hardware pentru noi aplicații în viitor.

Dispozitivele DAQ multifuncționale au un număr finit de canale, dar oferă o combinație de intrări analogice, ieșiri analogice, intrări/ ieșiri digitale și contoare. Dispozitivele multifuncționale acceptă diferite tipuri de I/O, care vă oferă posibilitatea de a adresa multe aplicații diferite pe care un dispozitiv DAQ cu o singură funcție nu ar putea face.

O altă opțiune este o platformă modulară pe care o puteți personaliza la cerințele dvs. exacte. Un sistem modular constă dintr-un șasiu pentru controlul sincronizării și a unei varietăți de module I/O. Un avantaj al unui sistem modular este că puteți selecta diferite module care au scopuri unice, deci mai multe configurații sunt posibile. Cu această opțiune, puteți găsi module care îndeplinesc o funcție mai exact decât un dispozitiv multifuncțional. Un alt avantaj al sistemul modular este posibilitatea de a selecta numărul de sloturi pentru șasiu. Un șasiu are un număr fix de sloturi, dar puteți achiziționa un șasiu care are mai multe sloturi decât aveți nevoie acum, pentru a vă oferi capacitatea de a vă extinde în viitor.

Am nevoie de condiționarea semnalului?

Un dispozitiv DAQ de uz general poate măsura sau genera +/- 5 V sau +/- 10 V. Unii senzori generează semnale prea dificile sau periculoase pentru a măsura direct cu acest tip de dispozitiv DAQ. Majoritatea senzorilor necesită condiționarea semnalului, precum amplificarea sau filtrarea, înainte ca un dispozitiv DAQ să poată măsura eficient și cu acuratețe semnalul.

De exemplu, termocuplele scot semnale în gama mV, care necesită amplificare pentru a optimiza limitele convertoarelor analogice-digitale (ADC-uri). În plus, măsurătorile termocuplului beneficiază de filtrare low-pass pentru a elimina zgomotul de înaltă frecvență. Condiționarea semnalului oferă un avantaj distinct față de dispozitivele DAQ singure, deoarece îmbunătățește atât performanța, cât și acuratețea de măsurare a sistemelor DAQ.

Tabelul 1 oferă un rezumat al condiționării de semnal obișnuite, pentru diferite tipuri de senzori și măsurători.

Dacă senzorul dvs. este listat în tabelul 1, ar trebui să luați în considerare condiționarea semnalului. Puteți adăuga condiționare externă a semnalului sau puteți alege să folosiți un dispozitiv DAQ cu condiționare integrată a semnalului. Multe dispozitive includ, de asemenea, conectivitate încorporată pentru senzori specifici pentru o integrare convenabilă a senzorilor. Pentru un ghid mai aprofundat privind condiționarea semnalului, consultați Ghidul inginerului pentru condiționarea semnalului.

Cât de repede am nevoie pentru a achiziționa sau genera eșantioane de semnal?

Una dintre cele mai importante specificații ale unui dispozitiv DAQ este viteza de eșantionare, care este viteza cu care ADC-ul dispozitivului DAQ prelevează eșantioane de semnal. Ratele de eșantionare tipice sunt sincronizate hardware sau software și sunt până la rate de 2 MS/s. Rata de eșantionare pentru aplicația dvs. depinde de componența de frecvență maximă a semnalului pe care încercați să îl măsurați sau să îl generați.

Figura 1. Reprezentarea 10 kHz versus 2 kHz a unei unde sinusoidale de 1 kHz

Teorema lui Nyquist afirmă că puteți reconstrui cu exactitate un semnal prin eșantionarea la de două ori componenta cu cea mai înaltă frecvență de interes. Dar, în practică, ar trebui să eșantionați cel puțin la de 10 ori frecvența maximă pentru a reprezenta forma semnalului dvs. Alegerea unui dispozitiv DAQ cu o rată de eșantionare de cel puțin 10 ori mai mare decât frecvența semnalului dvs. vă asigură că măsurați sau generați o reprezentare mai exactă a semnalului dumneavoastră.

De exemplu, să presupunem că în aplicația dvs. doriți să măsurați o undă sinus care are o frecvență de 1 kHz. Conform Teoremei Nyquist, trebuie să eșantionați la cel puțin 2 kHz, dar este foarte recomandat să eșantionați la 10 kHz pentru a măsura sau genera o reprezentare mai exactă a semnalului dumneavoastră. Figura 1 compară o undă sinus de 1 kHz măsurată la 2 kHz și 10 kHz.

După ce cunoașteți componența de frecvență maximă a semnalului pe care doriți să îl măsurați sau să îl generați, puteți alege un dispozitiv DAQ cu rata de eșantionare corespunzătoare pentru aplicație.

Care este cea mai mică schimbare în semnal pe care trebuie să-l detectez?

Cea mai mică modificare detectabilă în semnal determină rezoluția necesară dispozitivului DAQ. Rezoluția se referă la numărul de nivele binare pe care un ADC le poate utiliza pentru a reprezenta un semnal. Pentru a ilustra acest punct, imaginați-vă cum ar fi reprezentată o undă sinus dacă ar fi trecut printr-un ADC cu diferite rezoluții. Figura 2 compară un ADC pe 3 biți și un ADC pe 16 biți. Un ADC pe 3 biți poate reprezenta opt (23) nivele de tensiune discrete. Un ADC pe 16 biți poate reprezenta 65.536 (2¹⁶) nivele de tensiune discrete. Reprezentarea undei sinus cu o rezoluție de 3 biți arată mai mult ca o funcție treaptă decât o undă sinus unde ADC-ul pe 16 biți oferă o undă sinus cu aspect curat.

Dispozitivele DAQ tipice au game de tensiune de +/- 5 V sau +/- 10 V. Nivelele de tensiune care pot fi reprezentate sunt distribuite uniform pe un interval selectat pentru a profita de rezoluția completă. De exemplu, un dispozitiv DAQ cu un interval de +/- 10 V și 12 biți de rezoluție (2¹² sau 4.096 nivele distribuite uniform) poate detecta o schimbare de 5 mV, unde un dispozitiv cu 16 biți de rezoluție (2¹⁶ sau 65.536 niveluri distribuite uniform) poate detecta o modificare de 300 µV. Multe cerințe ale aplicației sunt îndeplinite cu dispozitive care au rezoluție de 12,16 sau 18 biți. Dar, dacă măsurați senzori cu game mici și mari de tensiune, puteți beneficia probabil de gama de date dinamică disponibilă cu dispozitive pe 24 de biți. Gama de tensiune și rezoluția necesare pentru aplicația dvs. sunt factori primari în selectarea dispozitivului potrivit.

Figura 2. Reprezentarea rezoluției-16 biți față de rezoluția-3 biți
a unei unde sinusoidale

Câtă eroare de măsurare permite aplicația mea?

Acuratețea este definită ca o măsură a capacității unui instrument de a indica fidel valoarea unui semnal măsurat. Acest termen nu are legătură cu rezoluția; dar, acuratețea nu poate fi niciodată mai bună decât rezoluția instrumentului. Cum specificați acuratețea măsurării depinde de tipul de dispozitiv de măsurare. Un instrument ideal măsoară întotdeauna adevărata valoare cu 100% certitudine, dar, în realitate, instrumentele raportează o valoare cu o incertitudine specificată de producător. Incertitudinea poate depinde de mulți factori, cum ar fi zgomotul sistemului, eroarea de câștig, eroarea de offset și neliniaritatea. O specificație comună pentru incertitudinea producătorului este exactitatea absolută. Această specificație oferă eroarea în cel mai rău caz a unui dispozitiv DAQ la o gamă anumită. Un exemplu de calcul pentru exactitatea absolută a unui dispozitiv multifuncțional National Instruments este prezentat mai jos:

Acuratețe absolută = ([Citire * Eroare câștig] + [Gama de tensiune * Eroare offset] + Incertitudine de zgomot)

Acuratețe absolută = 2,2 mV

Este important de menționat că acuratețea unui instrument depinde nu numai de instrument, ci și de tipul de semnal măsurat. Dacă semnalul măsurat este zgomotos, acuratețea măsurătorii este afectată negativ. Există game largi de dispozitive DAQ cu diferite grade de exactitate și puncte de preț. Unele dispozitive pot oferi auto-calibrare, izolare și alte circuite pentru a îmbunătăți exactitatea. În cazul în care un dispozitiv DAQ de bază poate oferi o acuratețe absolută peste 100 mV, un dispozitiv cu performanțe superioare cu astfel de caracteristici poate avea o acuratețe absolută în jurul valorii de 1 mV. După ce înțelegeți cerințele dvs. de acuratețe, puteți alege un dispozitiv DAQ cu o acuratețe absolută care să răspundă nevoilor aplicației dvs.

• Comparați diferite produse hardware DAQ pentru aplicația dvs.