Data Acquisition Signal Architectures'lara Giriş

Veri satın alma (DAQ) sistemleri modern ölçüm ve kontrol arka kemiğidir, gerçek dünya analog sinyalleri işleme, analiz ve depolama için dijital değerlere dönüştürmektir.Her DAQ sisteminin kalbinde temel bir karar vardır: iki aktif terminal arasındaki gerilim farkı seçmek - pratik sonuçları doğrudan etkiler, sinyal bütünlüğü ve sistem maliyeti.Temel ayrımı iyi bilinen - gerçek kısıtlamalarınızı kapsayan temel bir yönteme saygı ile ilgili olarak, doğru yöntemlerinizi kapsayan bir yükleyici önlemler.

Tek bitmemiş Data Acquisition

Tek taraflı bir konfigürasyonda, analog giriş sinyali, ortak bir referans noktası ile ölçülür - sistem zemini. ölçüm cihazı kanal başına bir giriş terminali vardır ve sinyal kaynağının diğer tarafı toprağa bağlıdır.Bu, en basit ve en pahalı DAQ yöntemi, genellikle düşük maliyetli ortamlarda kullanılır.

Tek katlı ölçümler nasıl çalışır

Tek taraflı giriş kanalı sinyal gerilimi taşıyan tek bir iletkenden oluşur, çünkü kanal başına bir tel gerekli olduğunda (şimdi paylaşılan bir zemin), DAQ cihazının analog-enerji dönüştürücü (ADC) çoğu kez daha yüksektir. Örneğin, 16- DAQ cihazı tek yönlü girişler için yapılandırılır.Çünkü sadece bir tel 16-düşük girişler için 16-kanıtlı sinyaller için aynı anda aynı anda sabitlenir, çünkü sadece iki kanalda iki kanal daha yüksektir.

Tek Bitmiş Sistemlerin Anahtar Özellikleri

  • [FONT:0]Siksi:[[Dönetici:[Dönetici: 0)[Dönetici: [Dönetici: [Döntme: [Döntme: 0,4] Wiring basit - sadece giriş terminaline sinyal telini bağlanır ve sinyal kaynağının DAQ cihazı olarak aynı zemini paylaşmasını sağlar.
  • [Düzük Maliyeti:[Dönetici: [Dönetici:0) Düşük Maliyet:[Dönetici: [Dönetici: 0,4] Kanal başına az sayıda bileşene ihtiyaç vardır (örneğin, herhangi bir ayırıcı yükselteç veya dengeli giriş devreleri yoktur), donanım masraflarını azaltır.
  • [FONT=0) Yüksek Kanal Yoğunluğu: [Dönetici:[Dönetici:0) Aynı fiziksel bağlantı daha fazla sinyal alabilir, bu da uzay veya maliyet kısıtlandığında avantajlıdır.
  • [FONT:0) Gürültüye dikkat edin: [Dönetici: 0,4] Çünkü sinyal toprağa atıfta bulunur, zemin telinde veya sinyal telinde doğrudan ortaya çıkar.
  • [FONT=0]Yer-Referenced Signals'e işaret etmek:[Dönetici:0) sinyal kaynağının DAQ zemine düşük bir bağlantı olması gerekir.

Single-Bitişli DAQ için tipik uygulamalar

Tek taraflı girişler, sinyal kaynağının DAQ cihazına yakın olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılır, çevre nispeten sessizdir ve mutlak doğruluk kritik değildir. örnekler şunlardır:

  • Bir laboratuvar ortamındaki yalancı veya RTD'leri zemine alan sıcaklığı izleyin
  • Mikrokontrolörlerden basit dijital güçlü ölçümler veya gerilim çıktılarını okumak
  • Düşük frekanslı sensörleri temiz, koruyucu muhafazalardan veri girişi
  • Ses sinyali, ortak bir zeminle kısa, dengeli kablolar kullanırken yakalama
  • Düşük maliyetli tüketici elektronikleri, bileşen sayılarının en aza indirgenmesi gereken

Diferansiyel Data Acquisition

Farklı veri satın alma iki giriş terminalleri arasındaki gerilim farkı ölçer -tip olarak HI ve LO (veya + ve ). DAQ cihazının içine bağlı değildir, her iki satırda eşit görünen gürültüyü reddetmesine izin verir (ortalama gürültüyü). Bu yapılandırma, yüksek gürültü bağışıklık sağlar ve elektriksel olarak gürültülü ortamlarda veya sinyal kaynağı ölçüm sisteminde çok uzakta olduğunda.

Diferansiyel ölçümler Nasıl Çalışır

Bir diferansiyel giriş, sinyal başına iki iletken kullanır: biri pozitif (ya dalma) sinyali taşır ve diğeri de olumsuz (ya da) sinyalini taşır. DAQ cihazı bu iki gerilim arasında farkı genişletebilir. İdeal bir ayırıcı yükselteç oranı (CMRR), her iki girişte de yaygın olarak belirtilmiş olan bir gerilim anlamına gelir.

Diferansiyel girişler genellikle sinyal kaynağının “yüzeme” (düşünceye atıfta bulunmamak) veya ölçüm sistemi, yükselticinin ortak mod aralığından dışarı çıkmak için bir önyargı yolu sağlar. Birçok modern DAQ cihazı yazılım-programlanabilir önyargı direnç dirençleri içerir veya bu amaçla izole bir zemin bağlantısı sağlar.

Diferansiyel Sistemlerin Anahtar Özellikleri

  • [FONT:0)Excellent Gürültü Rejeksiyonu:[Dönetici: 0,8] Ortak mod gürültüsü iptal ederek, diferansiyel ölçümler elektromanyetik müdahale (EMI), radyo-fret müdahalesi (RFI), zemin döngüleri ve güç-line harmonikler tarafından çok daha az etkilenmektedir.
  • [FONT=0)Yüzey İşaretleri Önlemler: Termo çiftleri, sulu ölçümler ve birçok köprü tipi sensörler, zemine atıfta bulunamayan çok küçük ayırıcı gerilimler üretir.Diferansiyel girişler bu sinyalleri doğru bir şekilde yakalayabilir.
  • [FONT:0)Redük Ground Loop Hatas:[Döneticileri farklı zemin potansiyelleri olan büyük sistemlerde, tek taraflı bir bağlantı, ölçümleri bozan bir zemin döngüsü yaratır.Diferansiyel girişler zemin döngüyü kırar çünkü LO terminali sistem zemin değildir.
  • [FONT:0) Harsh Ortamlarında Büyük Bir Ölçü: Motorlarla Endüstriyel ayarlar, dönüştürücüler ve güç malzemeleri, tek yönlü ölçümler ortaya çıkacak önemli gürültüyü oluşturur.Diferansiyel girişler sinyal bütünlüğünü korur.
  • [[Düzücü Kanal Yoğunluğu: [Dönetici: 0,4][/FONT][/FONT=0)Dörd Kanal Konforu: [Dönersiz Kanal Konağı: [Döner: 0,0)[Dönersiz Kanal Konağı:[Dönersiz Kanal Konağı:[Dönersiz Kanal Konağıt:0) Bu ticaret, sistem tasarımına göre en fazla sayıda kanal kullanır.

Diferansiyel DAQ için Ortak Uygulamalar

Diferansiyel girişler profesyonel, endüstriyel ve bilimsel enstrümantasyonda standarttır. Tipik kullanım koşulları şunlardır:

  • Termo çiftlerden düşük seviyeli sinyalleri, drenaj ölçümlerini ve hücreler yüklemelerini ölçmek
  • Elektrokardiyogramlar (ECG) veya elektromyogramlar (EMG) gibi biyomedikal sinyalleri, ortak mod güç-line müdahalenin güçlü olduğu yerlerdeki (EMG)
  • Uzak sensörlerden gelen veriler, DAQ cihazından onlarca veya yüzlerce metre mesafede yer alıyor
  • Yüksek hacimli gerilim ölçümleri ve metrolojik sistemlerde
  • Otomatik test ekipmanları (ATE) yarı iletken veya devre-board test cihazı için
  • sinyal kaynağının DAQ zeminine referans olmadığı herhangi bir uygulama

Detaylı Karşılaştırma: Single-Bitişli vs. Diferansiyel

Tek taraflı ve diferansiyel veri alımı arasındaki karar, birçok boyutta ticaret-offları içerir. Aşağıdaki karşılaştırma, en kritik faktörler mühendislerini değerlendirmelidir.

Gürültü Rejeksiyon Performansı

Gürültü bağışıklığı muhtemelen en önemli farklılaştırıcıdır. Tek taraflı girişler ortak mod gürültüsünden reddedilmez - zeminde görünen veya sinyal hattı doğrudan ölçüme eklenir.In contrast, specific-ended inputs can get CMRRs from 60 dB (basic) to 120 dB (trüpheli yükselticiler ile) Eğer zemindeki 1 V yaygın olarak bulunursa ve CMRR 100 dB, etkili bir hata sadece 10 μV.

Yer ve Zemin Döngüleri

Tek yönlü sistemler, sinyal kaynağı ve DAQ cihazı arasındaki düşük kesintili bir zemin bağlantısı gerektirir. Cihazların uzun mesafelerden ayrılınca veya farklı ana girişlerden faydalandığı zaman, zemin potansiyelindeki farklılıklar, her iki kaynaktan diğerine akış için büyük tellere neden olabilir - bir fenomen olarak bilinen bir boşluk, bakım, doğrultucun gerilimin doğal olarak DAQ cihazının üzerinden ayrılmasına neden olması gerekir.

Signal Range ve Dynamic Range

Tek yönlü girişler genellikle referansa göre anlamlıdır (0 V to +V ref) veya bipolar (±V ref) sinyalleri ile ilgilidir, ancak ADC'nin giriş aralığı ile maksimum V seviyesi ile sınırlı olacaktır. Çünkü sinyal, referansta oturan veya doğrudan doğruyu etkiler.Diferansiyel girişler küçük bir VDC ayarlandığında daha büyük bir V değeri ile mümkün olacaktır.

Kanal Kont ve Çoklu

Birden fazla DAQ sisteminde, birçok kanal hızlı bir şekilde taranıyor. Tek taraflı girişler, panodaki kanalları azaltabilecek ve maliyeti azaltabilecektir. Ancak, birden çok yönlü sinyallerin potansiyel haçları ve yerleşme-zaman sorunlarını ortaya koyduğu için, zemin referansı paylaşılır.Diferansiyel multiplexing, özellikle farklı ortak mod gerilimleri ile sinyalleri korurken, özellikle de farklı frekans gerilimleri ile sinyalleri korur. Yüksek hızlı veya yüksek çözünürlüklü sistemler genellikle kanaldaki doğruluğu korumak için diferansiyel çokluxing çoklu sinyalleri kullanır.

Maliyet ve Kompleksi

Tek taraflı sistemler, hassas direnç ağları, diferansiyel yükselteçler ve bazen izolasyon engelleri, artan maliyetle, toplam sistem gürültülü bir ortamda bir doğruluk elde etmeyi göz önünde bulundurarak daha ucuz olabilir.Diferansiyel sistemler birçok tek yönlü kanal için ödeme yapmak için ödeme yapmak, filtre ve zemin geri yüklemesi gerekir.

Single-Bitişli Veri Edinme Ne Zaman Seçilir

Limitlerine rağmen, tek taraflı satın alma birçok senaryoda doğru seçimdir:

  • [DüzgÜ:0) Düşük Ortamlar: [DÜT:1] Laboratuar koşullarında minimum EMI/RFI ve kısa kablo uzunluğu ile tek taraflı girişler daha düşük maliyette yeterli bir doğruluk sunar.
  • [FONT:0)Battery-Powered veya Portatif Cihazlar: Güç kısıtlamaları ve uzay sınırlamaları genellikle tek uçlu girişlerin basitliğini tercih eder.
  • [FONT:0]Large Channel Counts on a Budget: Birkaç yavaş hareket sinyalini izlemek zorundasınız (örneğin, sıcaklık, nem, temiz bir ortamda baskı), tek uçlu kablonun kanal yoğunluğu etkileyici.
  • [FONT:0) Tek bitmiş Sensör Çıktıları:[Dönetici:[Dönetici:0) Birçok modern sensörler (örneğin, dijital çıktı sensörleri, üç-terminal gerilim düzenleyicileri veya 0-10 V vericileri) ortak bir zeminle çalışmak ve doğal olarak tek bir şekilde tek uçlu.
  • [FONT:0]Eğitimsel Prototipleme: Temel DAQ kavramlarını öğrenmek için tek taraflı, anlama ve debug için daha basit.

Diferansiyel Data Acquisition

Diferansiyel satın alma, tercih edilen mimaridir:

  • [FONT=0) Yüksek doğruluk gereklidir: [DÜDÜSTRİYESİ: SİGÜNCÜSTRİYESİ:0)Yüksek doğruluk gereklidir: [DÜSTRİYESİ: SİFFAT:0) Hassasiyet ölçümleri -örneğin, mikrovoltaik sinyallerin sus veya hassas termo çiftlerden - neredeyse her zaman diferansiyel girdileri talep eder.
  • [FONT:0) Harsh Elektrik Ortamlarında Operasyon: Faktörler, güç santralleri, ulaşım sistemleri ve tıbbi görüntüleme odaları gürültü ile doludur.Diferansiyel girişler temiz verileri çıkarmak için gereklidir.
  • [FONT:0)Uzun kablo Runs:[Dönetici:[Döneticiler: 0,4-20 mA mevcut döngüler, DAQ sisteminden uzakta, diferansiyel sinyalleme (konak kablolarla birlikte) standart çözümdür.
  • [FONT:0]Floating or Isolated Sources:[Dönetici: 0 ) Birçok sensör – uçsuz toplayıcılar – tek bir giriş kullanarak, hataları ortaya çıkarabilir.
  • [FONT=0) Yüksek Çözünürlük ADCs (>16 bit): [Dönder: 1) Yüksek çözünürlüklü dönüştürücüler çok küçük en önemsiz (LSB) gerilimlere sahiptir, onları gürültüye son derece hassas hale getirir.Diferansiyel girişler bu tür ADCs tam dinamik yelpazesini korur.

Pratik Uygulamayı Değerlendirme

Teorik karşılaştırmanın ötesinde, başarılı DAQ sistemi tasarımı birkaç donanım ve yazılım detayına dikkat gerektirir.

Doğru ADC veya DAQ Modülünü seçin

Birçok ticari DAQ cihazı, yazılım yapılandırılabilir giriş modları sunar - tek taraflı ve kanal başına veya grup başına ayrı ayrılığı geçebilir. Örneğin, Ulusal InstrumentsurFLT:0)NI-9205) modüller her iki mod da destekler, seçilen yapılandırmanın sinyal kaynağının yanlış ve yaygın mod gerilimi ile eşleşen olmasını sağlar.For maximum esneklik için, giriş aralıkları ve önbellek dirençleri ile cihazlara bakın.

Instrumentationl Ampifiers kullanarak

Özel tasarımlar için, bir araç yükselticisi (INA) diferansiyel ölçümler için anahtar bileşendir.Dörtücükler gibi Popüler aileler AD620) veya [[Döneticileri:2Texas Instruments INA128[DDDDDDDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar) yüksek CMRR, düşük dengeleme ve bir dış direnç ile ayarlandığında, referans girişine dikkat edin, bu da çıktı gerilimi ayarlar ve beklenen sinyal aralığının da dahil olmasını sağlar.

Proper Shielding ve Cable Selection

Farklı girişlerle bile, iyi taksi uygulamaları performans geliştirir. Sinyal geri dönüş yolundan her bir diferansiyel sinyal için çarpık kablolar kullanın. Çok gürültülü ortamlar için, sadece bir sonda zemine bağlı genel bir kalkan ekleyin (dövülmüş sistemler kobiyal kablolar gerektirir).

Yazılım yapılandırması ve Filtreleme

Çoğu DAQ yazılımı (örneğin, LabVIEW, MATLAB Data Acquisition Toolbox veya Python ile "daqmx") giriş modu, aralık ve örnekleme oranı ayarlamasına izin verir.In specific-mode intervals her zaman cihazı desteklerse ortak mod gerilimi aralığı ayarlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Tek uçlu ve diferansiyel veri satın alma teknikleri her biri ölçüm alanında önemli bir yer işgal eder. Tek taraflı sinyaller, endüstriyel, yüksek kanal yoğunluğu ve düşük maliyet, doğrulamaların kritik olmadığı doğrulanabilir ortamlar ve uygulamalar için idealdir.Diferansiyel satın alma, yüksek gürültü reddedilmesi, zemin döngüleri sağlar ve bu şekilde, yüksek seviyeli sinyallerin kesin ölçülmesi - endüstriyel, tıbbi ve bilimsel ortamlarda vazgeçilmez olan yükümlülüklerin belirlenmesi.

Daha fazla okuma için, [[Döneticileri:0)Ulusal Aletler (küresel projeksiyonlar) ve gürültü dikkateleri) ve )Analog Cihazlarının tek uçlu diğer girişler üzerindeki teknik makalesi).