Многие аппаратные устройства сбора данных содержат одну или несколько подсистем, которые преобразуют (оцифровывают) сигналы датчика реального мира в числа, которые может считать ваш компьютер. Такие устройства называются аналоговыми входными подсистемами (подсистемы AI, аналого-цифровые преобразователи или АЦП). После оцифровки сигнала реального мира можно проанализировать его, хранить в системной памяти или хранить в файле диска.
Функция аналоговой входной подсистемы состоит в том, чтобы дискретизировать и квантовать аналоговый сигнал с помощью одного или нескольких каналов. Можно представить канал как путь, по которому перемещается сигнал датчика. Типичные аналоговые входные подсистемы имеют восемь или 16 входных каналов, доступных вам. После дискретизации и квантования данных они должны быть переданы в системную память.
Аналоговые сигналы непрерывны во времени и амплитуде (в предопределенных пределах). Дискретизация делает «моментальный снимок» сигнала в дискретные моменты времени, в то время как квантование делит значение напряжения (или тока) на дискретные амплитуды.
Дискретизация делает снимок сигнала датчика в дискретное время. Для большинства приложений временной интервал между выборками поддерживается постоянным (для примера, дискретизация каждые миллисекунды), если внешне не синхронизируется.
Для большинства цифровых преобразователей дискретизация выполняется схемой выборки и удержания (S/H). Схема S/H обычно состоит из буфера сигналов, за которым следует электронный переключатель, соединенный с конденсатором. Операция схемы S/H выполняется следующими шагами:
В заданный момент дискретизации переключатель соединяет буфер и конденсатор с входом.
Конденсатор заряжается до входа напряжения.
Заряд сохраняется до тех пор, пока аналого-цифровой преобразователь не оцифрует сигнал.
Для нескольких каналов, подключенных (мультиплексированных) к одному аналого-цифровому преобразователю, предыдущие шаги повторяются для каждого входного канала.
Весь процесс повторяется для следующего момента дискретизации.
Мультиплексор, схема S/H и аналого-цифровой преобразователь показаны в следующем разделе.
Оборудование можно разделить на две основные категории, основанные на способе дискретизации сигналов: сканирование оборудования, который выборки входные сигналы последовательно, и одновременная выборка и удержание (SS/H) оборудования, которое выборки все сигналы одновременно. Эти два типа оборудования описаны ниже.
Оборудование сканирования дискретизируют один входной сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровое значение, а затем повторяют процесс для каждого используемого входного канала. Другими словами, каждый входной канал дискретизируется последовательно. Скан происходит, когда каждый вход в группе дискретизируется один раз.
Как показано ниже, большинство устройств сбора данных имеют один аналого-цифровой преобразователь, который мультиплексируется в несколько входных каналов.
Поэтому, если вы используете несколько каналов, эти каналы не могут быть дискретизированы одновременно, и существует временная погрешность между последовательными дискретизированными каналами. Этот временной промежуток называется перекосом канала. Можно представить перекос канала как время, необходимое аналоговой входной подсистеме для выборки одного канала.
Кроме того, максимальная частота дискретизации, на которую рассчитано оборудование, обычно применяется для одного канала. Поэтому максимальная частота дискретизации на канал определяется формулой:
Как правило, вы можете достичь этой максимальной скорости только в идеальных условиях. На практике частота дискретизации зависит от нескольких характеристик аналоговой входной подсистемы, включая время урегулирования и коэффициент усиления, а также перекос канала. Следующая схема показывает период дискретизации и перекос канала для многоканального строения с использованием сканирующего оборудования.
Если вы не можете переносить перекос канала в вашем приложении, необходимо использовать оборудование, которое позволяет одновременную дискретизацию всех каналов. Одновременная выборка и удержание оборудования рассматриваются в следующем разделе.
Оборудование одновременной выборки и удержания (SS/H) дискретизируют все входные сигналы одновременно и сохраняют значения до тех пор, пока A/D-преобразователь не оцифрует все сигналы. Для систем высокого класса может быть отдельный аналого-цифровой преобразователь для каждого входного канала.
Например, предположим, что вам нужно одновременно измерить ускорение нескольких акселерометров, чтобы определить вибрацию некоторого тестируемого устройства. Для этого необходимо использовать оборудование SS/H, поскольку оно не имеет перекоса канала. В целом, вам может потребоваться использовать оборудование SS/H, если сигнал датчика значительно изменяется за время, которое меньше наклона канала, или если вам нужно использовать передаточную функцию или выполнить частотный диапазон корреляцию.
Следующая схема показывает период дискретизации для многоканального строения с использованием оборудования SS/H. Обратите внимание, что перекос канала отсутствует.
Как обсуждалось в предыдущем разделе, дискретизация принимает моментальный снимок входного сигнала в момент времени. При создании моментального снимка дискретизированный аналоговый сигнал должен быть преобразован из значения напряжения в двоичное число, которое может считать компьютер. Преобразование из бесконечно точной амплитуды в двоичное число называется квантованием.
Во время квантования A/D преобразователь использует конечное количество равномерно распределенных значений, чтобы представлять аналоговый сигнал. Количество различных значений определяется количеством бит, используемых для преобразования. Большинство современных конвертеров используют 12 или 16 бит. Обычно конвертер выбирает цифровое значение, которое ближе всего к фактическому дискретизированному значению.
Рисунок ниже показывает синусоиду 1 Гц, квантованную 3 бит аналого-цифровым преобразователем.
Количество квантованных значений определяется значением 23 = 8, наибольшее представимое значение задается 111 = 22 + 21 + 20 = 7.0, и наименьшее представимое значение задается 000 = 0.0.
Всегда существует некоторая ошибка, связанная с квантованием непрерывного сигнала. В идеале максимальная ошибка квантования составляет ± 0,5 младших бита (LSB), а во всей входной области значений средняя ошибка квантования равна нулю.
Как показано ниже, ошибка квантования для предыдущей синусоиды вычисляется путем вычитания фактического сигнала из квантованного сигнала.
Вход области значений подсистемы аналогового входа является диапазоном значений входа, для которых допустимо преобразование. Можно изменить вход области значений, выбрав другое значение усиления. Для примера, National Instruments ™®'AT-MIO-16E-1 плата имеет восемь значений усиления в диапазоне от 0,5 до 100. Многие платы включают программируемый усилитель усиления, который позволяет изменять коэффициент усиления устройства с помощью программного обеспечения.
Когда входной сигнал превышает допустимую входную область значений преобразователя, возникает условие сверхобласти значений. В этом случае большинство устройств насыщается до наибольшего представимого значения, и преобразованные данные почти определенно неправильны. Настройка усиления влияет на точность вашего измерения - чем больше (меньше) значение усиления, тем меньше (выше) точность. См., Как связаны области значений, коэффициент усиления и точность измерения? для получения дополнительной информации о том, как входная область значений, коэффициент усиления и точность связаны друг с другом.
Аналоговая входная подсистема может обычно преобразовывать как однополярные сигналы, так и биполярные сигналы. Униполярный сигнал содержит только положительные значения и ноль, в то время как биполярный сигнал содержит положительные значения, отрицательные значения и нули.
Однополярные и биполярные сигналы изображены ниже. См. рисунок в Квантовании для примера униполярного сигнала.
Во многих случаях полярность сигнала является фиксированной характеристикой датчика, и вы должны сконфигурировать входную область значений, чтобы соответствовать этой полярности.
Как вы можете видеть, очень важно понять область значений сигналов, ожидаемых от вашего датчика, чтобы вы могли сконфигурировать вход области значений подсистемы аналогового входа, чтобы максимизировать разрешение и минимизировать вероятность сверхобласти значений условия.
Выборки получаются от аналоговой входной подсистемы с определенной скоростью синхроимпульса. Как и любая система синхронизации, часы сбора данных характеризуются своим разрешением и точностью. Разрешение синхронизации определяется как наименьший временной интервал, который вы можете точно измерить. На точность синхронизации влияет дрожание синхроимпульса. Дрожание возникает, когда синхроимпульс выдает несколько другие значения для заданного временного интервала.
Для любой системы сбора данных обычно существует три источника синхроимпульса: встроенный синхроимпульс сбора данных, компьютерный синхроимпульс или внешний синхроимпульс. Программное обеспечение Data Acquisition Toolbox™ поддерживает все эти источники синхроимпульса, в зависимости от требований вашего оборудования.
Бортовые часы. Встроенный синхроимпульс обычно является микросхемой таймера на аппаратной плате, которая запрограммирована на генерацию импульсного потока с желаемой скоростью. Бортовые часы обычно имеют высокую точность и низкий уровень дрожания по сравнению с компьютерными. Вы всегда должны использовать бортовые часы, когда частота дискретизации высока, и когда вам требуется фиксированный временной интервал между выборками. Встроенный синхроимпульс в данном руководстве называется внутренним синхроимпульсом.
Компьютерные часы. Часы компьютера (PC) используются для плат, которые не имеют бортового синхроимпульса. Часы компьютера менее точны и имеют больше дрожания, чем бортовые часы, и обычно ограничены частоты дискретизации ниже 500 Гц. Часы компьютера называются программными часами в этом руководстве.
Внешние часы. Внешние часы часто используются, когда частота дискретизации низкая и не постоянная. Например, внешний источник синхроимпульса часто используется в автомобильных приложениях, где выборки получаются как функция угла кривошипа.
Можно сконфигурировать входные каналы одним из следующих двух способов:
Дифференциал
Однокомпонентный
Ваш выбор входа строения канала может зависеть от того, является ли входной сигнал плавающим или заземленным.
Плавающий сигнал использует изолированную наземную ссылку и не соединяется с созданием. В результате входной сигнал и аппаратное устройство не соединяются с общей ссылкой, что может привести к превышению входного сигнала допустимой области значений аппаратного устройства. Чтобы обойти эту проблему, необходимо подключить сигнал к бортовой земле устройства. Примеры источников плавающих сигналов включают незаземленные термопары и аккумуляторные устройства.
Заземленный сигнал соединяется с землей создания. В результате входной сигнал и аппаратное устройство соединяются с общей ссылкой. Примеры заземленных источников сигнала включают в себя неизолированные выходы приборов и устройства, которые соединяются с системой создания степени.
Примечание
Для получения дополнительной информации о строении канала см. документацию по оборудованию.
Когда вы конфигурируете оборудование для дифференциального входа, существует два провода сигнала, сопоставленных с каждым входным сигналом - один для входного сигнала и один для ссылки (возврата) сигнала. Измерение является различием напряжений между двумя проводами, что помогает уменьшить шум и любое напряжение, которое является общим для обоих проводов.
Как показано ниже, входной сигнал соединяется с разъемом положительного усилителя (маркирован +), и обратный сигнал соединяется с разъемом отрицательного усилителя (маркирован -). Усилитель имеет третий разъем, который позволяет ссылаться эти сигналы на землю.
National Instruments ™ рекомендуют вам использовать дифференциальные входы при любом из следующих условий:
Входной сигнал имеет низкий уровень (менее 1 вольт).
Выводы, соединяющие сигнал, больше 10 футов.
Входной сигнал требует отдельного сигнала наземной точки или возврата.
Сигнал ведет движение через шумное окружение.
Когда вы конфигурируете свое оборудование для одностороннего входа, существует один провод сигнала, сопоставленный с каждым входным сигналом, и каждый входной сигнал соединяется с одной и той же землей. Одноконечные измерения более восприимчивы к шуму, чем дифференциальные измерения из-за различий в путях сигнала.
Как показано ниже, входной сигнал соединяется с разъемом положительного усилителя (маркирован +), и заземление соединяется с разъемом отрицательного усилителя (маркирован -).
National Instruments ™ предполагают, что вы можете использовать односторонние входы при любом из следующих условий:
Входной сигнал высокого уровня (больше 1 вольта).
Выводы, соединяющие сигнал, менее 10 футов.
Входной сигнал может иметь общую контрольную точку с другими сигналами.
Вы должны использовать дифференциальные входные коннекторы для любого входного сигнала, который не соответствует предыдущим условиям. Можно сконфигурировать многие платы National Instruments ™ для двух различных типов однокомпонентных соединений:
Ссылочное соединение с одним концом (RSE)
RSE- строения используется для источников плавающих сигналов. В этом случае аппаратное устройство само обеспечивает ссылке заземление для входного сигнала.
Неотключенное соединение с одним концом (NRSE)
Входное строение NRSE используется для заземленных источников сигналов. В этом случае входной сигнал обеспечивает собственную ссылку заземления, и аппаратное устройство не должно подавать таковую.
Для получения дополнительной информации о соединениях RSE и NRSE обратитесь к документации по оборудованию National Instruments ™.
Передача полученных данных от оборудования в системную память выполняется следующими шагами:
Полученные данные хранятся в оборудовании буфере FIFO.
Данные передаются из буфера FIFO в системную память с помощью прерываний или DMA.
Эти шаги выполняются автоматически. Как правило, все, что требуется от вас, это некоторое начальное строение аппаратного устройства при его установке.
Буфер FIFO используется для временного хранения полученных данных. Данные временно хранятся до их передачи в системную память. Процесс передачи данных в буфер аналогового входного сигнала FIFO и из него описан ниже:
Буфер FIFO хранит вновь полученные выборки с постоянной частотой дискретизации.
Перед заполнением буфера FIFO программное обеспечение начинает удалять выборки. Например, прерывание генерируется, когда FIFO наполовину полно, и сигнализирует программному обеспечению извлечь выборки как можно быстрее.
Поскольку обслуживание прерываний или программирование контроллера DMA может занять до нескольких миллисекунд, дополнительные данные хранятся в FIFO для последующего извлечения. Для большего буфера FIFO можно допускать большие задержки.
Выборки передаются в память системы через системную шину (для примера, шину PCI или шину AT). После передачи выборок программное обеспечение свободно выполняет другие задачи до следующего прерывания. Например, данные могут быть обработаны или сохранены в дисковом файле. Пока средние скорости хранения и извлечения данных равны, полученные данные не будут пропущены, и ваше приложение должно работать плавно.
Самый медленный, но наиболее распространенный способ перемещения полученных данных в системную память - для платы, чтобы сгенерировать сигнал запроса прерывания (IRQ). Этот сигнал может быть сгенерирован, когда получена одна выборка или когда получено несколько выборок. Процесс передачи данных в системную память через прерывания приведен ниже:
Когда данные готовы к передаче, центральный процессор останавливает все, что он делает, и запускает специальную стандартную программу обработки прерываний, которая сохраняет текущие регистры машин, а затем устанавливает их для доступа к плате.
Данные извлекаются из платы и помещаются в системную память.
Сохраненные регистры машин восстанавливаются, и центральный процессор возвращается к исходному прерыванию процесса.
Фактическое перемещение данных довольно быстро, но существует много накладного времени, потраченного на сохранение, настройку и восстановление регистрационной информации. Поэтому, в зависимости от вашей конкретной системы, передача данных прерываниями может не быть хорошим выбором, когда частота дискретизации больше, чем около 5 кГц.
Прямой доступ к памяти (DMA) является системой, в которой выборки автоматически сохраняются в системной памяти, в то время как процессор делает что-то другое. Процесс передачи данных через DMA приведен ниже:
Когда данные готовы к передаче, плата предписывает системному контроллеру DMA как можно скорее поместить их в системную память.
Как только центральный процессор способен (что обычно очень быстро), он перестает взаимодействовать с оборудованием сбора данных, и контроллер DMA перемещает данные непосредственно в память.
Контроллер DMA готовится к следующей выборке, указывая на следующее открытое место памяти.
Предыдущие шаги повторяются бесконечно с данными, поступающими в каждое открытое место памяти в постоянно циркулирующем буфере. Взаимодействие между центральным процессором и платой не требуется.
Компьютер поддерживает несколько различных каналов DMA. В зависимости от вашего приложения, вы можете использовать один или несколько из этих каналов, Например, для одновременного ввода и выход со звуковой картой требуется один канал DMA для входа и другой канал DMA для выхода.
