引言
工程師經(jīng)常需要在長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)監(jiān)視一些信號(hào)然后繪制圖表和分析所得到的數(shù)據(jù)。許多應(yīng)用都需要監(jiān)視、記錄和分析數(shù)據(jù)如產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段環(huán)境試驗(yàn)箱監(jiān)視元件檢驗(yàn)工作臺(tái)測(cè)試和工藝流程的錯(cuò)誤查找。
這篇應(yīng)用指南介紹用于采集、記錄、分析數(shù)據(jù)的各種方法和裝置從簡(jiǎn)單的筆和紙到使用今天復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中討論了每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并提供一張問(wèn)題表以指導(dǎo)您選擇最適合您需要的方法。
數(shù)據(jù)采集的可選方法
數(shù)據(jù)采集技術(shù)在過(guò)去的30 年到40 年中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如在40 年前的普通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中跟蹤溫度的裝置放在鈉鎢青銅的坩鍋中裝置包括熱偶、電橋、檢查表、紙和筆。今天的大學(xué)生則是采用自動(dòng)化的測(cè)量?jī)x器在PC 上分析數(shù)據(jù)。
今天有許多種采集數(shù)據(jù)的可選方法。最佳選擇決定于一些因素包括任務(wù)的復(fù)雜程度要求的速度和精度以及所需要的文檔。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜有很寬的性能和功能范圍。
紙和筆
古老的紙和筆方法在某些條件下仍可使用它便宜隨處可得也很容易掌握。所要做的全部工作是連上一臺(tái)數(shù)字多用表（DMM）并用手記錄數(shù)據(jù)。但這種方法容易出錯(cuò)速度慢并需要繁雜的人工分析。此外這種方法只適用于單通道的數(shù)據(jù)；當(dāng)然您可以使用多臺(tái)DMM但系統(tǒng)很快變得龐雜和笨拙。精度取決于記錄者的嚴(yán)謹(jǐn)性而且您還需要人工標(biāo)度輸出的數(shù)據(jù)。例如若DMM不能得到溫度傳感器的直接讀數(shù)時(shí)就需要進(jìn)行人工標(biāo)度。
紙帶記錄器
您能用現(xiàn)代紙帶記錄器捕獲來(lái)自幾個(gè)輸入的數(shù)據(jù)。它們提供數(shù)據(jù)的永久性紙記錄并且由于這些數(shù)據(jù)采用圖形格式因此能容易地了解趨勢(shì)。大多數(shù)記錄器在設(shè)置后都有足夠的內(nèi)部智能可以作無(wú)人值守的運(yùn)行 ── 不需要操作者或計(jì)算機(jī)的幫助。
缺點(diǎn)包括缺乏靈活性和相對(duì)低的精度一般只有百分之幾。通常您只能感覺(jué)到筆繪圖的小變化。雖然記錄器能很好監(jiān)視長(zhǎng)時(shí)間周期上的幾個(gè)通道但其值可能會(huì)受到限制。例如不能接通或斷開(kāi)另一裝置。其它的問(wèn)題包括筆和紙的維護(hù)饋紙和數(shù)據(jù)保存這意味著需要大量用紙甚至?xí)�造成浪費(fèi)。
掃描數(shù)字多用表
某些臺(tái)式DMM提供可選的掃描能力。這種儀器的后面板有一個(gè)插槽可插入一塊掃描卡一般可多路轉(zhuǎn)換8 至10 個(gè)通道的輸入信號(hào)。這種方法可保持儀器前面板的固有DMM精度和功能。但其靈活性受到限制因?yàn)椴豢赡艹�過(guò)擴(kuò)展槽所允許的通道數(shù)。通常用一臺(tái)外部PC 管理數(shù)據(jù)采集和分析。
PC 插卡
PC插卡是利用PC中ISA或PCI 總線擴(kuò)展槽的單板測(cè)量系統(tǒng)。一般有高達(dá)100,000 讀數(shù)/ 秒的讀數(shù)率。常見(jiàn)的插卡為8 至16 個(gè)通道，所采集的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)保存然后就地進(jìn)行分析。由于插卡實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)的一部份因此很容易設(shè)置測(cè)試。PC 插卡一般比較便宜因?yàn)樗�靠主機(jī)提供電源機(jī)箱和用戶(hù)界面。
在缺點(diǎn)方面PC 插卡一般只有12bit 分辨率因此不能感知輸入信號(hào)小的變化。此外PC 內(nèi)存在高噪聲的電環(huán)境到處是高速時(shí)鐘和總線的噪聲幅射。這類(lèi)電氣干擾會(huì)把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。
這些插卡也只能測(cè)量有限范圍的直流電壓。為測(cè)量其它輸入信號(hào)如交流電壓溫度或電阻就需要各種外部的信號(hào)調(diào)理。其它需關(guān)注的問(wèn)題包括有疑問(wèn)的校準(zhǔn)和總系統(tǒng)成本特別是需要購(gòu)買(mǎi)附加的信號(hào)調(diào)理附件或適應(yīng)插卡的PC 時(shí)。
數(shù)據(jù)記錄儀
數(shù)據(jù)記錄儀通常是一臺(tái)獨(dú)立儀器在經(jīng)過(guò)設(shè)置后它能測(cè)量、記錄和顯示數(shù)據(jù)而無(wú)需操作員或計(jì)算機(jī)的干預(yù)。它們能處理各種輸入信號(hào)有些儀器有多達(dá)120個(gè)輸入通道并可達(dá)到臺(tái)式DMM的精度即22bit0.004%的年精度量級(jí)。有些數(shù)據(jù)記錄儀還能標(biāo)度測(cè)量按用戶(hù)定義的極限檢查結(jié)果同時(shí)還有輸出用于控制的信號(hào)。
使用數(shù)據(jù)記錄儀的一個(gè)好處是它們有內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理。大多數(shù)數(shù)據(jù)記錄儀能直接測(cè)量各類(lèi)輸入而不需要附加的信號(hào)調(diào)理附件�？捎靡粋�(gè)通道監(jiān)視熱偶另一通道監(jiān)視鉑電阻（RTD），而其它通道則仍可觀察電壓。用于精確溫度測(cè)量的熱偶溫度參考結(jié)通常也都內(nèi)置于多路轉(zhuǎn)換器查卡中。
數(shù)據(jù)記錄儀的內(nèi)置智能可幫助您設(shè)置測(cè)試過(guò)程和規(guī)定各通道的參數(shù)。在完成設(shè)置后 數(shù)據(jù)記錄儀即作為獨(dú)立儀器運(yùn)行就像一臺(tái)記錄儀。它在內(nèi)部存儲(chǔ)器中保存數(shù)據(jù)，水下超聲波測(cè)厚儀存儲(chǔ)器能容納50,000 甚至更多的讀數(shù)。PC 的連通能力使其能容易地把數(shù)據(jù)傳送到您的計(jì)算機(jī)以進(jìn)行深入的分析。大多數(shù)數(shù)據(jù)記錄儀有很高的靈活性配置和操作簡(jiǎn)單并且有可選的后備電池或其它方法使您能在遠(yuǎn)地現(xiàn)場(chǎng)使用該儀器。
由于采用A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)一些數(shù)據(jù)記錄儀的讀數(shù)相對(duì)慢特別是與許多PC 插卡相比。但250 讀數(shù)/ 秒的速度并不罕見(jiàn)。實(shí)際上, 被監(jiān)視的許多現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是物理現(xiàn)象 ── 例如溫度、壓力和流量其變化一般是較慢的。此外數(shù)據(jù)記錄儀有高測(cè)量精度多路讀出因此不需要PC 插卡解決方案中常用的平均。
數(shù)據(jù)采集前端
數(shù)據(jù)采集前端通常是模塊式的一般連接到PC 或控制器。在自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用中收集數(shù)據(jù)以及控制測(cè)試裝置其它部分的信號(hào)和提供信號(hào)路由。前端可能有非常高的性能其速度和精度可與最好的獨(dú)立儀器相匹敵。
數(shù)據(jù)采集前端有多種實(shí)現(xiàn)方法包括VXI如Agilent E1419A多功能測(cè)量和控制VXI模塊以及專(zhuān)用的插卡箱。雖然前端的價(jià)格已經(jīng)下降但這些系統(tǒng)仍可能非常昂貴除非您確實(shí)需要它們所提供的高性能否則其價(jià)格是不能接受的。此外前端還具有優(yōu)異的靈活性和測(cè)量能力。
數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用
對(duì)于許多應(yīng)用工程師的日常任務(wù)來(lái)說(shuō)一臺(tái)具有中等通道數(shù)（20-60 通道）和較慢掃描率的好的低價(jià)數(shù)據(jù)記錄儀能充分滿(mǎn)足需要。一些主要應(yīng)用包括：
　　·產(chǎn)品驗(yàn)證
　　·電子產(chǎn)品的熱分布
　　·環(huán)境測(cè)試；環(huán)境監(jiān)視
　　·元器件驗(yàn)證
　　·電池測(cè)試
　　·家電測(cè)試
　　·建筑物和計(jì)算機(jī)房監(jiān)視
　　·生產(chǎn)流程監(jiān)視評(píng)估和故障查找
數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用：
評(píng)估原型IC 的自動(dòng)測(cè)試站
　　·快速安裝測(cè)試電路板上的插座
　　·用安裝在加熱器/ 冷卻器上的電路板測(cè)試溫度變化條件下的IC
　　·使用Visual Basic 的全自動(dòng)GPIB 儀器
結(jié)果：
　　·把評(píng)估時(shí)間減少一半
　　·精確、一致性的結(jié)果
　　·易于建立文檔
數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用：
驗(yàn)證新電源設(shè)計(jì)
　　·檢查輸出電壓和噪聲級(jí)
　　·高效地模擬負(fù)載（使用大功率電阻）和檢查溫升
　　·測(cè)量關(guān)鍵元器件的溫度
結(jié)果：
　　·縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間
　　·通過(guò)限制內(nèi)部溫度提高可靠性
　　·驗(yàn)證電源的輸入特性
哪類(lèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正適合您的需要？
沒(méi)有一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能適應(yīng)所有應(yīng)用�；卮鹣旅孢@些問(wèn)題可幫助您確定哪一種系統(tǒng)最適合您的需要。
1. 系統(tǒng)符合我的應(yīng)用要求嗎？
對(duì)測(cè)量分辨率、精度和噪聲性能有何要求？
掃描有多快？
支持哪些傳感器和測(cè)量功能？
可通過(guò)升級(jí)或擴(kuò)展?jié)M足未來(lái)需要嗎？
便于攜帶嗎？
可作為獨(dú)立儀器工作嗎？
2. 售價(jià)高嗎？
軟件是包括在其中還是要另外購(gòu)買(mǎi)？
需要外加的信號(hào)調(diào)理嗎？
保修期多長(zhǎng)？
校準(zhǔn)方便和便宜嗎？
3. 易于使用嗎？
指標(biāo)易于理解嗎？
有什么樣的用戶(hù)界面？
重配置新的應(yīng)用困難嗎？
數(shù)據(jù)能容易地傳送到新的應(yīng)用程序嗎？
支持哪些應(yīng)用軟件包？
結(jié)論
　　數(shù)據(jù)采集的范圍從筆和紙測(cè)量裝置直至極為復(fù)雜包括硬件儀器和軟件分析工具的系統(tǒng)。在用戶(hù)考慮購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)時(shí)第一步是確定手頭的任務(wù)和需要的輸出然后選擇符合要求的儀器類(lèi)型和范圍。所有復(fù)雜設(shè)備和分析工具都要幫助用戶(hù)了解所監(jiān)視的現(xiàn)象。這些工具均只是達(dá)到這一目的的手段。
術(shù)語(yǔ)
數(shù)據(jù)采集 — 收集來(lái)自傳感器、電信號(hào)和儀器的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集通常是自動(dòng)化的可在工廠、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。
數(shù)據(jù)記錄儀 — 專(zhuān)用于采集和歸檔物理測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它通常是具有中等通道數(shù)（20-60 通道）用于采集不同時(shí)間數(shù)據(jù)的獨(dú)立系統(tǒng)。
數(shù)字多用表 — 一種測(cè)量交流和直流電壓、直流電流和電阻的數(shù)字儀器。
DMM — 數(shù)字多用表
多路轉(zhuǎn)換器 — 一種把多通道切換至單一通道的方案
PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 總線擴(kuò)展槽的測(cè)量系統(tǒng)
信號(hào)調(diào)理 — 使信號(hào)適合于模數(shù)（A-D）轉(zhuǎn)換器的輸入。信號(hào)可經(jīng)過(guò)濾去除噪聲或經(jīng)衰減或放大適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。