资料采取 DAQ 基础知识-上集

元件

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资料采取广义来说是将现实世界的各种物理量(如电压／电流／温度／重量等等)将其讯号数字化，以便储存、分析及呈现在个人计算机上的过程。要进行资料撷取任务所需要的硬设备有感测器／讯号处理器／资料撷取卡／个人计算机。设备的选用对于量测任务的成败至关重要。下面就各项目逐一简述

· 传感器

是一种能将现实世界的各种物理量(如电压／电流／温度／重量等等)转换为等量线性变化的电压讯号或数位讯号的装置。对各种物理量都有其对应使用的传感器类型，例如用于温度的有热电偶，重量的有荷重元，长度的有LVDT或光学尺，磁力的有霍尔元件，光强度的有光电二极管，角度的有编码器等各式各样的传感器。依据你的量测任务需要来挑选合适的传感器吧

· 讯号处理器

讯号处理器广义来说是与传感器搭配使用的传感器驱动／讯号调整／转换／放大等用途的专有设备。一般来说传感器的原始讯号通常很小，或者可能是非电压讯号型态(如电流／电阻／电容量等)。无法直接输入至资料撷取卡中量测。因此需使用讯号处理器来对传感器的原始讯号做调整／转换／放大的操作，才能输入至资料撷取卡中量测，当然也有感测器中就有内建讯号处理器的样式，此种传感器就无需搭配讯号处理器即可使用

· 资料撷取卡

将传感器或透过讯号处理器调整过的电压讯号，将其转换为数位化资料输入至计算机中的装置。也有将储存的数字化资料转换输出为电压讯号的能力。有些卡片具有内建的讯号处理器可直接使用对应类型的传感器。一般来说资料撷取卡能接受的讯号可分为类比讯号与数位讯号两类，以下说明

· 类比

类比讯号是量值大小对比于时间呈连续变化的值。类比讯号的三项主要特性是强度(level)、形状，以及频率

· 强度(Level)

由于类比讯号可以是任何物理量值，因此强度提供关于所测得之类比讯号的重要信息。光线的强度，房间的温度，以及舱房内的压力，都是说明讯号强度的例子。

· 形状(Shape)

有些讯号是以其特殊形状来命名──正弦、方波、锯齿，以及三角形。类比讯号的形状可能和强度一样重要，因为测量类比讯号的形状可以进一步分析该讯号，包括波峰大小、直流成份，以及斜率。形状占有相当重要性的讯号通常会随着时间快速变动。

· 频率(Frequency)

频率是单位时间内讯号变化周期的次数。和讯号的形状或强度不同的是，频率不能直接进行测量。讯号必须使用软件进行分析，才能判断其频率信息。这种分析通常使用一种名叫「傅利叶转换」(Fourier Transform)的运算法来进行。

· 数位

数位讯号不能以时间为基准而赋与任何数值。数位讯号只有两个可能值：0与1。数位讯号通常会符合一个特定的规格，该规格定义了讯号的特性。数位讯号常被称为Transistor-to-Transistor Logic (TTL)。TTL规格指出，当强度落在0至0.8伏特之间时，数位讯号视为0；在2至5伏特之间则视为1。可以从数位讯号中测量而得的有用信息包括状态和速率

· 状态(State)

数位讯号不会以相对于时间的方式以数值呈现。数位讯号的状态基本上就是讯号的强度──1或0，高或低。监视开关的状态──开或关──是常见的应用，即说明了知道数位讯号状态的重要性。

· 速率(Rate)

数位讯号的速率决定数位讯号在时间内改变状态的方式。测量数位讯号速率的范例之一就是判断马达转轴的转速。和频率不同，数位讯号的速率测量的是取决于讯号的某一个部份发生的频率有多常发生。不需要使用软件运算法来判断讯号的速率。

接下来说明一些关于资料撷取卡的相关性能参数名词。

1. 通道数量：可使用的输入／输出通道数

2. 量测范围：对于类比通道而言是可输入的最大电压，一般以正负10V为常见，而对数位通道而言则是讯号的位准类型如TTL 规范。

3. 采样速率：撷取卡能以多快的速率对类比讯号采样，例如每秒100点、每秒1000点等等

4. 分辨率：即撷取卡内ADC/DAC件的位元数，常见为16bit ，较精密的卡种可达24bit以上，将量测范围/ (2^位元数) 即为电压信号的分辨率，例如20/ 2^16 = 0.0003052 V

5. 同步／多工扫瞄取样：一张撷取卡若标示同步取样，则说明此卡每个通道上都配有一个ADC元件。此类撷取卡进行资料撷取不会有取样相位差的问题。但因ADC数量多整张卡的价格成本较高，因此有只用一个ADC配合多工器轮流对所有通道进行量测的撷取卡样式，这就是扫描取样。这样做撷取卡的价格成本较低，但衍生的问题就是取样相位差。亦即多工器扫瞄复数通道时，在同一采样时间点下每通道的实际采样时间并非一致，而是依扫瞄顺序存在着固定时差

6. 多装置同步与触发能力：遇到较大型的量测任务时通常不会只有一个装置做量测，而是由多个装置一同作业。这时多个装置之间必需能够进行时序的同步化才能确保量测资料的时间正确性。而触发能力则是在事件发生时才启动装置进行量测，可接受的触发信号型态可能有数位或类比讯号。或者可来自其它协同作业的资料撷取卡所发出。

7. 总线界面：撷取卡连结到计算机的界面，有PCI ／USB／PXI／EtherNET 等

8. 讯号处理：撷取卡内建对应传感器类型所需的处理电路。可简化配线作业，减少外挂处理电路或额外配线需要。类型例如：高压／电流／隔离／热电偶／应变规／ICP供给／反假象滤波等等

9. 个人计算机

接受处理资料撷取卡产生的数字化资料，可以是NB或桌上型计算机。较特别的场合也可以采用工业计算机或PXI平台等等。计算机上搭载着资料撷取卡的驱动程序与进行量测作业用的软件。

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