數據採集卡

基於PC匯流排的板卡種類很多，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）、開關量輸入板卡、開關量輸出板卡、脈衝量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個功能，如數字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數字量輸入/輸出集成在同一張卡上。

根據匯流排的不同，可分為PXI/CPCI板卡和PCI板卡。

一個典型的數據採集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現。

模擬輸入是採集最基本的功能。它一般由多路開關（MUX）、放大器、採樣保持電路以及A/D來實現，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉化為數字信號。A/D的性能和參數直接影響著模擬輸入的質量，要根據實際需要的精度來選擇合適的A/D。

模擬輸出通常是為採集系統提供激勵。輸出信號受數模轉換器（D/A）的建立時間、轉換率、解析度等因素影響。建立時間和轉換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉換率高的D/A可以提供一個較高頻率的信號。如果用D/A的輸出信號去驅動一個加熱器，就不需要使用速度很快的D/A，因為加熱器本身就不能很快地跟蹤電壓變化。因此，應該根據實際需要選擇D/A的參數指標。

數字I/O通常用來控制過程、產生測試信號、與外設通信等。它的重要參數包括：數字口路數（line）、接收（發送）率、驅動能力等。如果輸出去驅動電機、燈、開關型加熱器等用電器，就不必要求較高的數據轉換率。路數要能同控制對象配合，而且需要的電流要小於採集卡所能提供的驅動電流。但加上合適的數字信號調理設備，仍可以用採集卡輸出的低電流的TTL電平信號去監控高電壓、大電流的工業設備。數字I/O常見的應用是在計算機和外設如印表機、數據記錄儀等之間傳送數據。另外一些數字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數、數據轉換速率、“握手”能力都是重要參數，應依據具體的應用場合而選擇有合適參數的數字I/O。

許多場合都要用到計數器，如定時、產生方波等。計數器包括三個重要信號：門限信號、計數信號、輸出。門限信號實際上是觸發信號使計數器工作或不工作；計數信號也即信號源，它提供了計數器操作的時間基準；輸出是在輸出線上產生脈衝或方波。計數器最重要的參數是解析度和時鐘頻率，高解析度意味著計數器可以計更多的數；時鐘頻率決定了計數的快慢，頻率越高，計數速度就越快。

數據採集卡主要技術參數有如下幾個指標：

（1）通道數：即板卡可以採集幾路信號，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）採樣頻率：單位時間採集的數據點數，與AD晶元的轉換一個點所需時間有關，例如：AD轉換一個點需要T=10us，則其採樣頻率f=1/T為100K（即100kHz），即每秒鐘AD晶元可以轉換100K的數據點數。常有100K、250K、500K、800K、lM、40M等。

（3）緩存：主要用來存儲AD晶元轉換后的數據。帶緩存板卡可以設置採樣頻率，否則不可改變。緩存有RAM和FIFO兩種。FIFO主要用作數據緩衝，存儲量不大，速度快；RAM一般用於高速採集卡，存儲量大，速度較慢。

（4）解析度：採樣數據最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等。如12位解析度，當電壓量程為5000mV，單位增量為（5000mV）/4096=1.22mV（註：2的12次方為4096）。

（5）精度：測量值和真實值之間的誤差，即測量準確度。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。如滿量程範圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則誤差在10mV以內。

（6）量程：輸入信號的幅度，常用有±5V、±10V0～5V、0~10V。

（7）增益：輸入信號的放大倍數，分為程式控制增益和硬體增益。通過數據採集卡的電壓放大晶元將AD轉換后的數據進行固定倍數的放大，有兩種型號PGA202（1、10、100、1000）和PGA203（1、2、4、8）的增益晶元。

（8）觸發：可分為內觸發和外觸發兩種，指定啟動AD轉換方式。

一般數據採集卡選型，按如下步驟進行，詳細指標請參閱相應產品的樣本或選型指南。

1.明確應用需求

在選擇數據採集卡之前，必須全面分析應用需求，充分了解各種數據採集產品的特點、支持的開發平台種類、運行的操作系統環境以及開發難度等，然後根據有關指標進行合理選擇。

2.選擇匯流排的考慮

應用較廣的包括PCI、PXI、USB、ISA等多種匯流排結構，不同的匯流排具有不同的傳輸速度、電氣特性、結構尺寸、配置過程等，用戶要根據自己所需的特性來選擇。

3.選擇採樣率的考慮

系統的最高採樣率取決於ADC晶元變換模擬信號的速率，通常單位是SPS（採樣點/s）。根據奈奎斯特採樣理論，採樣頻率必須是信號中最高有效頻率的兩倍以上，否則會產生混疊信號失真，俗稱“假頻”。對於很多用戶，可能需要仔細觀察分析信號的細節，往往需要更高的採樣速率，通常建議選用最高採樣率大於信號最高頻率分量的5~10倍的採集卡。

4.選擇解析度和量程範圍的考慮

首先是解析度。解析度越高，輸入信號的細分程度就越高，能夠識別的信號變化量就越小。舉個實例：一個正弦波信號，採用解析度為8bit，A/D轉換所獲得的數字結果相當於把輸入範圍細分為256份，一些微小細節變化在A/D轉換過程中就會丟失，這正是由於解析度不夠高，在還原數據中產生量化雜訊造成的。若採用解析度為16bit，A/D轉換的細分數值就可以從256增加到65536，由量化信噪比為SNR（dB）=（6.02×bit）+1.76，可知量化位數越多信噪比就越高。

在確定了A/D轉換解析度的情形下，應按照保證信號量化雜訊較低，信噪比較高的原則，選擇一個合適的量程，再通過信號調理將被採集信號調理在這個合理的量程內。

5.選擇合適的產品型號

最後，還有輸入阻抗、輸出阻抗、通道數、信號線數、隔離等技術問題需要考慮，這些都與感測器和信號調理密切相關，必須結合起來統一考慮。在上述各指標選定以後，用戶可根據“功能夠用”的原則，選擇符合要求的採集卡，找到合適的採集卡型號。不要盲目購買價格貴、功能超強的設備。一般來說當精度要求不是很高、採樣頻率較低時，PCI和USB匯流排的數據採集卡都可以滿足要求；若工作環境比較惡劣，可以採用工控機；當採集精度要求較高，採樣頻率很高，工作環境比較惡劣時優先選用PXI類型的數據採集產品。