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选择正确的数据采集系统
2015-03-03
引言
工程师经常需要在长的时间周期内监视一些信号然后绘制图表和分析所得到的数据。许多应用都需要监视、记录和分析数据如产品开发的设计验证阶段环境试验箱监视元件检验工作台测试和工艺流程的错误查找。
这篇应用指南介绍用于采集、记录、分析数据的各种方法和装置从简单的笔和纸到使用今天复杂的数据采集系统。文中讨论了每种方法的优点和缺点并提供一张问题表，超声波测厚仪维修以指导您选择最适合您需要的方法。
数据采集的可选方法
数据采集技术在过去的30 年到40 年中取得了长足的进步。例如在40 年前的普通大学实验室中跟踪温度的装置放在钠钨青铜的坩锅中装置包括热偶、电桥、检查表、纸和笔。今天的大学生则是采用自动化的测量仪器在PC 上分析数据。
今天有许多种采集数据的可选方法。最佳选择决定于一些因素包括任务的复杂程度要求的速度和精度以及所需要的文档。数据采集系统从简单到复杂有很宽的性能和功能范围。
纸和笔
古老的纸和笔方法在某些条件下仍可使用它便宜，随处可得也很容易掌握。所要做的全部工作是连上一台数字多用表（DMM）并用手记录数据。但这种方法容易出错速度慢并需要繁杂的人工分析。此外这种方法只适用于单通道的数据；当然您可以使用多台DMM但系统很快变得庞杂和笨拙。精度取决于记录者的严谨性而且您还需要人工标度输出的数据。例如若DMM不能得到温度传感器的直接读数时就需要进行人工标度。
纸带记录器
您能用现代纸带记录器捕获来自几个输入的数据。它们提供数据的永久性纸记录并且由于这些数据采用图形格式因此能容易地了解趋势。大多数记录器在设置后都有足够的内部智能可以作无人值守的运行 ── 不需要操作者或计算机的帮助。
缺点包括缺乏灵活性和相对低的精度一般只有百分之几。通常您只能感觉到笔绘图的小变化。虽然记录器能很好监视长时间周期上的几个通道但其值可能会受到限制。例如不能接通或断开另一装置。其它的问题包括笔和纸的维护馈纸和数据保存这意味着需要大量用纸甚至会造成浪费。
扫描数字多用表
某些台式DMM提供可选的扫描能力。这种仪器的后面板有一个插槽可插入一块扫描卡一般可多路转换8 至10 个通道的输入信号。这种方法可保持仪器前面板的固有DMM精度和功能。但其灵活性受到限制因为不可能超过扩展槽所允许的通道数。通常用一台外部PC 管理数据采集和分析。
PC 插卡
PC插卡是利用PC中ISA或PCI 总线扩展槽的单板测量系统。一般有高达100,000 读数/ 秒的读数率。常见的插卡为8 至16 个通道所采集的数据直接进入计算机保存然后就地进行分析。由于插卡实质是计算机的一部份因此很容易设置测试。PC 插卡一般比较便宜因为它靠主机提供电源机箱和用户界面。
在缺点方面PC 插卡一般只有12bit 分辨率因此不能感知输入信号小的变化。此外PC 内存在高噪声的电环境到处是高速时钟和总线的噪声幅射。这类电气干扰会把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。
这些插卡也只能测量有限范围的直流电压。为测量其它输入信号如交流电压温度或电阻就需要各种外部的信号调理。其它需关注的问题包括有疑问的校准和总系统成本特别是需要购买附加的信号调理附件或适应插卡的PC 时。
数据记录仪
数据记录仪通常是一台独立仪器在经过设置后它能测量、记录和显示数据而无需操作员或计算机的干预。它们能处理各种输入信号有些仪器有多达120个输入通道并可达到台式DMM的精度即22bit0.004%的年精度量级。有些数据记录仪还能标度测量按用户定义的极限检查结果同时还有输出用于控制的信号。
使用数据记录仪的一个好处是它们有内置的信号调理。大多数数据记录仪能直接测量各类输入，而不需要附加的信号调理附件。可用一个通道监视热偶另一通道监视铂电阻（RTD）而其它通道则仍可观察电压。用于精确温度测量的热偶温度参考结通常也都内置于多路转换器查卡中。
数据记录仪的内置智能可帮助您设置测试过程和规定各通道的参数。在完成设置后 数据记录仪即作为独立仪器运行就像一台记录仪。它在内部存储器中保存数据存储器能容纳50,000 甚至更多的读数。PC 的连通能力使其能容易地把数据传送到您的计算机以进行深入的分析。大多数数据记录仪有很高的灵活性配置和操作简单并且有可选的后备电池或其它方法使您能在远地现场使用该仪器。
由于采用A/D转换器技术一些数据记录仪的读数相对慢特别是与许多PC 插卡相比。但250 读数/ 秒的速度并不罕见。实际上, 被监视的许多现象实质上是物理现象 ── 例如温度、压力和流量其变化一般是较慢的。此外数据记录仪有高测量精度多路读出因此不需要PC 插卡解决方案中常用的平均。
数据采集前端
数据采集前端通常是模块式的一般连接到PC 或控制器。在自动测试应用中收集数据以及控制测试装置其它部分的信号和提供信号路由。前端可能有非常高的性能其速度和精度可与最好的独立仪器相匹敌。
数据采集前端有多种实现方法包括VXI如Agilent E1419A多功能测量和控制VXI模块以及专用的插卡箱。虽然前端的价格已经下降但这些系统仍可能非常昂贵除非您确实需要它们所提供的高性能否则其价格是不能接受的。此外前端还具有优异的灵活性和测量能力。
数据记录仪应用
对于许多应用工程师的日常任务来说一台具有中等通道数（20-60 通道）和较慢扫描率的好的低价数据记录仪能充分满足需要。一些主要应用包括：
·产品验证
·电子产品的热分布
·环境测试；环境监视
·元器件验证
·电池测试
·家电测试
·建筑物和计算机房监视
·生产流程监视评估和故障查找
数据记录仪应用：
评估原型IC 的自动测试站
·快速安装测试电路板上的插座
·用安装在加热器/ 冷却器上的电路板测试温度变化条件下的IC
·使用Visual Basic 的全自动GPIB 仪器
结果：
·把评估时间减少一半
·精确、一致性的结果
·易于建立文档
数据记录仪应用：
验证新电源设计
·检查输出电压和噪声级
·高效地模拟负载（使用大功率电阻）和检查温升
·测量关键元器件的温度
结果：
·缩短开发时间
·通过限制内部温度提高可靠性
·验证电源的输入特性
哪类数据采集系统正适合您的需要？
没有一种数据采集系统能适应所有应用。回答下面这些问题可帮助您确定哪一种系统最适合您的需要。
1. 系统符合我的应用要求吗？
对测量分辨率、精度和噪声性能有何要求？
扫描有多快？
支持哪些传感器和测量功能？
可通过升级或扩展满足未来需要吗？
便于携带吗？
可作为独立仪器工作吗？
2. 售价高吗？
软件是包括在其中还是要另外购买？
需要外加的信号调理吗？
保修期多长？
校准方便和便宜吗？
3. 易于使用吗？
指标易于理解吗？
有什么样的用户界面？
重配置新的应用困难吗？
数据能容易地传送到新的应用程序吗？
支持哪些应用软件包？
结论
数据采集的范围从笔和纸测量装置直至极为复杂包括硬件仪器和软件分析工具的系统。在用户考虑购买数据采集装置和系统时第一步是确定手头的任务和需要的输出然后选择符合要求的仪器类型和范围。所有复杂设备和分析工具都要帮助用户了解所监视的现象。这些工具均只是达到这一目的的手段。
术语
数据采集 — 收集来自传感器、电信号和仪器的数据。
数据采集通常是自动化的可在工厂、实验室和现场进行。
数据记录仪 — 专用于采集和归档物理测量数据的数据采集系统。它通常是具有中等通道数（20-60 通道）用于采集不同时间数据的独立系统。
数字多用表 — 一种测量交流和直流电压、直流电流和电阻的数字仪器。
DMM — 数字多用表
多路转换器 — 一种把多通道切换至单一通道的方案
PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 总线扩展槽的测量系统
信号调理 — 使信号适合于模数（A-D）转换器的输入。信号可经过滤去除噪声或经衰减或放大适应模数转换器的输入范围。
工程师经常需要在长的时间周期内监视一些信号然后绘制图表和分析所得到的数据。许多应用都需要监视、记录和分析数据如产品开发的设计验证阶段环境试验箱监视元件检验工作台测试和工艺流程的错误查找。
这篇应用指南介绍用于采集、记录、分析数据的各种方法和装置从简单的笔和纸到使用今天复杂的数据采集系统。文中讨论了每种方法的优点和缺点并提供一张问题表，超声波测厚仪维修以指导您选择最适合您需要的方法。
数据采集的可选方法
数据采集技术在过去的30 年到40 年中取得了长足的进步。例如在40 年前的普通大学实验室中跟踪温度的装置放在钠钨青铜的坩锅中装置包括热偶、电桥、检查表、纸和笔。今天的大学生则是采用自动化的测量仪器在PC 上分析数据。
今天有许多种采集数据的可选方法。最佳选择决定于一些因素包括任务的复杂程度要求的速度和精度以及所需要的文档。数据采集系统从简单到复杂有很宽的性能和功能范围。
纸和笔
古老的纸和笔方法在某些条件下仍可使用它便宜，随处可得也很容易掌握。所要做的全部工作是连上一台数字多用表（DMM）并用手记录数据。但这种方法容易出错速度慢并需要繁杂的人工分析。此外这种方法只适用于单通道的数据；当然您可以使用多台DMM但系统很快变得庞杂和笨拙。精度取决于记录者的严谨性而且您还需要人工标度输出的数据。例如若DMM不能得到温度传感器的直接读数时就需要进行人工标度。
纸带记录器
您能用现代纸带记录器捕获来自几个输入的数据。它们提供数据的永久性纸记录并且由于这些数据采用图形格式因此能容易地了解趋势。大多数记录器在设置后都有足够的内部智能可以作无人值守的运行 ── 不需要操作者或计算机的帮助。
缺点包括缺乏灵活性和相对低的精度一般只有百分之几。通常您只能感觉到笔绘图的小变化。虽然记录器能很好监视长时间周期上的几个通道但其值可能会受到限制。例如不能接通或断开另一装置。其它的问题包括笔和纸的维护馈纸和数据保存这意味着需要大量用纸甚至会造成浪费。
扫描数字多用表
某些台式DMM提供可选的扫描能力。这种仪器的后面板有一个插槽可插入一块扫描卡一般可多路转换8 至10 个通道的输入信号。这种方法可保持仪器前面板的固有DMM精度和功能。但其灵活性受到限制因为不可能超过扩展槽所允许的通道数。通常用一台外部PC 管理数据采集和分析。
PC 插卡
PC插卡是利用PC中ISA或PCI 总线扩展槽的单板测量系统。一般有高达100,000 读数/ 秒的读数率。常见的插卡为8 至16 个通道所采集的数据直接进入计算机保存然后就地进行分析。由于插卡实质是计算机的一部份因此很容易设置测试。PC 插卡一般比较便宜因为它靠主机提供电源机箱和用户界面。
在缺点方面PC 插卡一般只有12bit 分辨率因此不能感知输入信号小的变化。此外PC 内存在高噪声的电环境到处是高速时钟和总线的噪声幅射。这类电气干扰会把PC插卡的精度限制到手持式DMM的水平。
这些插卡也只能测量有限范围的直流电压。为测量其它输入信号如交流电压温度或电阻就需要各种外部的信号调理。其它需关注的问题包括有疑问的校准和总系统成本特别是需要购买附加的信号调理附件或适应插卡的PC 时。
数据记录仪
数据记录仪通常是一台独立仪器在经过设置后它能测量、记录和显示数据而无需操作员或计算机的干预。它们能处理各种输入信号有些仪器有多达120个输入通道并可达到台式DMM的精度即22bit0.004%的年精度量级。有些数据记录仪还能标度测量按用户定义的极限检查结果同时还有输出用于控制的信号。
使用数据记录仪的一个好处是它们有内置的信号调理。大多数数据记录仪能直接测量各类输入，而不需要附加的信号调理附件。可用一个通道监视热偶另一通道监视铂电阻（RTD）而其它通道则仍可观察电压。用于精确温度测量的热偶温度参考结通常也都内置于多路转换器查卡中。
数据记录仪的内置智能可帮助您设置测试过程和规定各通道的参数。在完成设置后 数据记录仪即作为独立仪器运行就像一台记录仪。它在内部存储器中保存数据存储器能容纳50,000 甚至更多的读数。PC 的连通能力使其能容易地把数据传送到您的计算机以进行深入的分析。大多数数据记录仪有很高的灵活性配置和操作简单并且有可选的后备电池或其它方法使您能在远地现场使用该仪器。
由于采用A/D转换器技术一些数据记录仪的读数相对慢特别是与许多PC 插卡相比。但250 读数/ 秒的速度并不罕见。实际上, 被监视的许多现象实质上是物理现象 ── 例如温度、压力和流量其变化一般是较慢的。此外数据记录仪有高测量精度多路读出因此不需要PC 插卡解决方案中常用的平均。
数据采集前端
数据采集前端通常是模块式的一般连接到PC 或控制器。在自动测试应用中收集数据以及控制测试装置其它部分的信号和提供信号路由。前端可能有非常高的性能其速度和精度可与最好的独立仪器相匹敌。
数据采集前端有多种实现方法包括VXI如Agilent E1419A多功能测量和控制VXI模块以及专用的插卡箱。虽然前端的价格已经下降但这些系统仍可能非常昂贵除非您确实需要它们所提供的高性能否则其价格是不能接受的。此外前端还具有优异的灵活性和测量能力。
数据记录仪应用
对于许多应用工程师的日常任务来说一台具有中等通道数（20-60 通道）和较慢扫描率的好的低价数据记录仪能充分满足需要。一些主要应用包括：
·产品验证
·电子产品的热分布
·环境测试；环境监视
·元器件验证
·电池测试
·家电测试
·建筑物和计算机房监视
·生产流程监视评估和故障查找
数据记录仪应用：
评估原型IC 的自动测试站
·快速安装测试电路板上的插座
·用安装在加热器/ 冷却器上的电路板测试温度变化条件下的IC
·使用Visual Basic 的全自动GPIB 仪器
结果：
·把评估时间减少一半
·精确、一致性的结果
·易于建立文档
数据记录仪应用：
验证新电源设计
·检查输出电压和噪声级
·高效地模拟负载（使用大功率电阻）和检查温升
·测量关键元器件的温度
结果：
·缩短开发时间
·通过限制内部温度提高可靠性
·验证电源的输入特性
哪类数据采集系统正适合您的需要？
没有一种数据采集系统能适应所有应用。回答下面这些问题可帮助您确定哪一种系统最适合您的需要。
1. 系统符合我的应用要求吗？
对测量分辨率、精度和噪声性能有何要求？
扫描有多快？
支持哪些传感器和测量功能？
可通过升级或扩展满足未来需要吗？
便于携带吗？
可作为独立仪器工作吗？
2. 售价高吗？
软件是包括在其中还是要另外购买？
需要外加的信号调理吗？
保修期多长？
校准方便和便宜吗？
3. 易于使用吗？
指标易于理解吗？
有什么样的用户界面？
重配置新的应用困难吗？
数据能容易地传送到新的应用程序吗？
支持哪些应用软件包？
结论
数据采集的范围从笔和纸测量装置直至极为复杂包括硬件仪器和软件分析工具的系统。在用户考虑购买数据采集装置和系统时第一步是确定手头的任务和需要的输出然后选择符合要求的仪器类型和范围。所有复杂设备和分析工具都要帮助用户了解所监视的现象。这些工具均只是达到这一目的的手段。
术语
数据采集 — 收集来自传感器、电信号和仪器的数据。
数据采集通常是自动化的可在工厂、实验室和现场进行。
数据记录仪 — 专用于采集和归档物理测量数据的数据采集系统。它通常是具有中等通道数（20-60 通道）用于采集不同时间数据的独立系统。
数字多用表 — 一种测量交流和直流电压、直流电流和电阻的数字仪器。
DMM — 数字多用表
多路转换器 — 一种把多通道切换至单一通道的方案
PC 插卡 — PC 插卡是插入PC 中ISA 或PCI 总线扩展槽的测量系统
信号调理 — 使信号适合于模数（A-D）转换器的输入。信号可经过滤去除噪声或经衰减或放大适应模数转换器的输入范围。
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