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导入同步采样技术 多任务DAQ能力提高

DAQ有多种附加架构可采用,包括SSH与多重ADC等,运用时须注意各种架构会有不同的输入通道采样率,将影响DAQ本身的精确度。此外,透过软件也可在DAQ上实现同步采样功能。


在选择同步采样数据采集(DAQ)适配卡时,主要有三项选择要件,即速度、分辨率与通道数。无论是示波器或温度记录器,几乎适用于所有装置的适配卡,然而,DAQ适配卡所使用的架构,亦可能影响这些规格与相关应用。由于跨多个通道进行同步采样的模拟输入架构,可能影响这些输入通道进行采样的速率,亦将影响DAQ适配卡本身的精确度,因此必须特别注意这些架构。 

多任务架构衍生SSH 

两项最常见的同步采样架构为同步采样与保持(Simultaneous Sample and Hold, SSH)(图1),以及多重模拟数字转换器(Multi-analog-to-digital Converter)。SSH架构由多任务(Multiplexed)架构所衍生,而多任务架构最常用于中到高通道数的DAQ装置。多任务装置是使用一组放大器与模拟数字转换器(ADC)进行多个输入通道的采样,而往往在连续采样间形成时间延迟,虽然可缩短此时间延迟,但是其幅度仍受限于ADC与放大器的整合效能。为了要以多任务架构进行同步采样,DAQ装置须在ADC与放大器之前即容纳各个输入通道的SSH电路,此SSH电路可设计于DAQ装置内或另外购买,并附加至DAQ装置,用于信号处理作业。

图1 SSH、多任务架构与多任务装置示意图

在作业期间,SSH电路可于各个输入扫描之前,先行追踪所接收的信号。在扫瞄开始前,DAQ装置将同步针对SSH电路置于保持模式,而各组SSH电路中的电容将维持稳定的电压。在依序扫描所有输入之后,DAQ装置将SSH电路转为追踪模式,并等待下一次的保持模式指令,透过SSH的方法,即便是于不同时间进行输入采样,亦可同步化输入电压(图2)。

图2 SSH电路作业示意图

过去SSH架构普遍用于中到高通道数的同步采样系统,主要是因为各个通道的成本所费不赀。然而,当此架构在10多年前盛行之时,若与每个通道仅具备一组ADC/放大器相较,再多容纳一组SSH电路的成本甚至更低廉(图3)。在最近15年内,常见16位ADC的价位下跌将近75%,也因此每个输入通道若使用ADC/放大器,可达更高的成本效益。


资料来源:ADC供货商,美商国家仪器整理


图3 1990~2004年12与16位ADC成本比较

与平行的多重ADC架构相较,由于每个通道的成本已降低甚多,因此要如何选择使用SSH/多任务架构以切合所需就特别重要。若要将SSH电路附加至复杂的多任务架构时,则必须考虑额外的趋稳时间(Settling Time)与潜时问题。SSH电路的潜时包含保持/追踪模式的趋稳时间,以及所有输入通道共享的扫描速率,均将影响这些装置能否顺利套用至高采样率的同步采样应用,如声音、振动与瞬时记录(Transient Recording)。 

举例来说,若某一款多任务装置可达100kSample/s采样率,并扫描八个通道,则采样率将平均降为每通道12.5kSample/s。若再加上SSH电路与再降低每通道扫瞄率30%的潜时来算,则每通道仅剩8.3kSample/s的采样率。多任务架构并未针对每通道的采样率进行最佳化,因此亦应为同步采样应用的重要考虑。若再加上SSH电路,则会进一步降低其可应用性。

不论多任务DAQ装置是否具备SSH电路,一般均已针对直流(DC)量测进行了最佳化,因为最常见的量测信号类型即为温度、静态应变、静态压力等。由于这些多任务DAQ装置,均针对多个输入通道共享相同的ADC/放大器整合,因此ADC/放大器必须能于高扫描速率吸收输入所发生的重大变化,同时维持DC的精确度。当多任务DAQ装置可因应趋稳时间的错误,或是由某笔信号影响邻近信号所造成的错误时,则可能产生中到高输入频率的失真(Distortion)。失真对温度或压力读数的影响不大。但是对动态量测作业来说,几乎是不允许发生中到高频率的失真情形。而多任务架构虽可将失真情况降至最低,但必须附加额外电路并耗用更多成本;因此在选择所需架构时,应可先行剔除多任务架构。

多重ADC简化DAQ信号路径

多重ADC架构可为每通道提供较高的采样率、较高的动态精确度,并降低复杂性。此架构并不需多任务器即可将所有信号连接至单一ADC,亦不需要额外的SSH电路就可进行同步采样,由于不须搭配多任务器与SSH电路,因此大幅简化DAQ装置上的信号路径。如此可最佳化DC量测与动态量测作业,并可维持低价位的通道。多重ADC架构极富弹性,可个别或同步采样多笔信号,此外,输入采样率将保持稳定,并不受输入数量所影响。若比较高速多任务装置(不含SSH)与低到中速的多重ADC装置,输入传输的方法即因架构而有所不同(表1)。

表1 多任务架构与多重ADC速度与分辨率比较表

型号

架构

速度

分辨率

通道(Diff)

PCI-6250

多任务

1.25MSample/s

16位

8

PCI-6143

多重ADC

每通道250kSample/s

16位

8

一如预期,多任务装置的每通道采样率,将依通道数增加而递减(图4);而多重ADC装置的采样率则维持不变。即便表1中的多任务装置可达五倍速度,但多重ADC装置在四个通道以上的应用中,仍将提供较高的采样率,事实上,当进行全部八个输入通道的采样时,多重ADC装置可提供超过100%的传输量,而成本却仅须增加约20%。请注意,此范例中的多任务装置无法进行同步采样,且若附加SSH电路,则更可能降低约30%的采样率。

图4 多重ADC与多任务装置通道数与采样率关系图

软件可同步化所有频率硬件

若DAQ装置并不具备同步采样功能,应如何进行同步采样?答案就是软件,亦即将同步采样作业移交给计算机处理器。虽然有多种方法可同步化,但若针对不同的已知点,透过数值法(Numerical Method)对齐(Align)波形仍为精确且有效的方法,以数值方法对齐波形,并不仅限于后续处理作业,亦可用于实时处理。针对低到中采样率的应用而言,低价位计算机的处理功能并不足以实时应付多个通道的数据,因此不须真正全部采用可同步采样的硬件。 

举例来说,若多任务DAQ装置并未附加SSH电路,则无法进行同步采样,然而,由于连续数据点之间有已知的时间延迟,其实可考虑用于波形对齐表达式,此时间延迟可用于对齐多笔信号,且不须附加电路亦可进行同步采样。 

在图5中的两笔输入信号,是以不同的实体(Instance)进行采样,近似于多任务DAQ装置的数据。在将线性内插(Interpolation)对齐表达式套用至图5的Channel 2后,图6显示对齐的数据,即精确仿真了同步采样硬件。虽然此范例套用简易的线性内插表达式,其实还有更为完整且精确的表达式可供利用,如样条(Spline)或脉冲响应(Finite Impulse Response, FIR)筛选。

图5 多任务装置DAQ两通道数据采样

 

图6 利用线性内插对其表达式所得的对齐数据

LabVIEW中的「Align and Resample」Express VI即提供简单易用的接口(图7),可设定对齐或重新采样作业。一旦设定完毕,只要将多组波形传输至「align and resample.vi」,即可执行处理作业,此表达式亦可实时或于后续处理时套用。

图7 LabVIEW软件中的Align and Resample接口

还有多个案例无法使用对齐表达式,包含瞬时信号与其它任何具有已知失真数据的信号,则建议搭配使用重复性的信号。针对低到中采样率的应用,若以多任务DAQ装置进行数值信号对齐法,则可建构高成本效益与精确的解决方案。在厂商推出的产品中,已有数个产品系列具备同步采样功能,这些产品囊括低至Hz以下(sub-Hz)~200MHz采样率,还有8~24位分辨率,根据产品的功能与规格范围,亦可套用至多种应用中,包括声音与振动到瞬时记录。

 

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