NI Measurement Ready (即测即用)
数据采集系统
——技术½皮书
目½:
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介绍
介绍
高质量测量性½
完美的½件集成
全面的应用技术支持
高质量测量性½
“即测即用”数据采集(Measurement
Ready DAQ)设备为获得绝对精度而进行了优化，具有如下特性：
卓越的模拟设计: 具有½于
20 V
的系统噪声和其它硬件规格，无论是小信号还是大信号，½可以进行精确测量。
全面的信号调理选项: 具有隔离、滤波、激励和电流测量模块，您可将其连接到任意类型的传感器上。
完整的校准选择: 一个板½½高精度源可以通过简单的½件调用对板卡的温度和时间重新进行校准。
½件集成
“即测即用”数据采集(Measurement
Ready DAQ)设备包含了可以缩短编程时间的½件，其特性如下：
与通用编程环境集成½用: 信号和定时信息可以波½数据类型表现，并可与
LabVIEW
信号分析程序直接连接。
板卡和通道配½: 每一模拟通道½可以自动地从原始电压换算成有意义的工程单½。
定时和触发控制: 可对模拟输入、输出和计数器/定时器操½以毫微秒的定时精度进行同步。
应用技术支持
每个“即测即用”数据采集(Measurement
Ready DAQ)设备½可以通过从如下资源获取技术解决方案的方式加
以补充：
曾荣获技术支持类大奖的的½站
:
它包含
2000
多个范例程序和技术问题解答，并由拥有丰富应用经验的工程师不
断更新。
应用技术支持: 可以免费获得工程师的帮助，以帮助自己选择正确的产品并获得设计问题的解答
产品保修与可延长技术服务: 可延长保修期服务和全球性维修服务也支持“即测即用”数据采集(Measurement
Ready DAQ)系统
高质量测量性½
简介
各种各样的传感器，最终½是将物理参量½换为可以通过电线传送的电信号。½您将这些电线连接到数据记½器或
数据采集
(DAQ)
卡、数字万用表（DMM）、或任½其它类型的测量硬件上的时候 ，您肯定希望读取到的就是线
上传输过来的精确的数值。可同时我们也很清楚，没有一种测试硬件是完美的。因此您必定考虑的问题是：我½够
接受的最大误差值是多少呢？
许多科学家和工程师们在评估
DAQ
产品的优劣时，往往只考虑它的精度½数。例如，认为½用
16
½精度的
DAQ
设备，用户可得到
2
16
=65,536
个可½的数据点。这
65，536
个值均匀地分布在一个电压范围内，而任½一个采样
得到的信号½会被指向这些值的其中一个。在此指向过程中所产生的误差就叫“量化误差”。DAQ 设备精度上的
量化误差仅仅是造成测试结果误差原因中的极小部分。由于硬件设计的不同，其它类型的错误将呈现极其多种的½
式。NI 公司的
Measurement-Ready DAQ
设备可以最大程度上减少各种类型的误差可½，所有的精确率数据均在
NI
产品目½和用户手册上“绝对精确”一栏有详细介绍。这些½是可½导致误差的原因，在购买任½一种硬件设
备，例如
DAQ
设备时，½需认真考虑。
温度漂移：
DAQ
设备的精确度会随着它温度的改变而发生变化。“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)产品在设
计上有如下几点优势，因而½将因温度变化引起的误差缩小到最小范围。
•
•
高品质的元部件：½在很大的温度范围内保持数值的稳定。
补偿元件：可以为其它部件产生逆向误差，从而有效地中和误差
•
板上温度传感器：可随时供编程或操½人员用来评估设备½前温度。
由于设计中的诸多考虑，½温度变化
1°C
时，16 ½精度的“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设
备所读取的数据变化仅为
0.0006%以下。这种抗温度变化的性½，确保了在温度发生漂移时的读数准确性。
稳定时间：
稳定时间指的是
DAQ
设备为达到一定的精确度并保持这一特定的精确度所需的一小段时间。无论要求怎样的增益
和采样率，“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备½可以确保根据要求稳定下来。图
1
显示了
12
½
E
系列
DAQ
卡最差的稳定时间范围。在电压范围为
10V
时，此设备的量化误差为
1.22mV。请记½，量化误差
只是整½测量误差的一小部分。
图
1
多路传输
DAQ
设备上的仪器放大器必须½够在较高的增益和采样速率下从可½具有不同电压水平的多个通道获取
精确的读数。由于这些要求，大部分市售仪器放大器均具有
DAQ
设备所需要的精度。NI
PCI-6052E
经过
4 s
稳
定在
0.305 mV
的范围内，而线性技术
LT1102
高速、精确仪器放大器在同样长的时间内却稳定在
2.5 mV
的范围
内。即½在把一个精密仪器放大器与稳定时间增加的
NI PCI-6052E
上的所有元件——包括仪器放大器在内——进
行比较时，NI 设备也表现出
87.7%的精度改善。
通过在您的
DAQ
设备的两个相邻通道上以全量程范围的大约 ±95%扫描两个信号来测量稳定时间误差。您可以
发现，½将扫描率从不到
1k
采样/秒增加到设备的最大扫描率时，您的
DAQ
设备的精度如½受到½响。由于实际
放大器和它们的理想工½状态有所不同，所以对于每个通道，½地和输入电压在正极和负极引脚之间互换并重复整
个测试是十分重要的。
系统噪声：
噪声诸如热或电等因素的干扰½会引起测量值偏离实际的被测信号，其偏移值被称为噪声层。由于“即测即用”数
据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备具有高性½元部件，加上其设计上的正确屏½、接地因素的周密考虑，这
一切优秀品质½得设备的噪声最小化。图
2
展示的是一般的
DAQ
设备与“即测即用”数据采集(Measurement-
Ready DAQ)设备在读取 7.5VDC
高稳定信号时的差异。
图
2
噪声层越½越½，½这只适用在由于噪声导致的误差在理想的数据上下等同的情况之下。½我们搜集到一些数据并
想算出其平均值时，这些数据却普遍偏高，这时，我们得出的结果会怎样？自然是数据偏高。Measurement-
Ready DAQ
设备采用一种叫做“抖动”的硬件技术，解决了此类问题。“抖动”½得对信号产生½响的噪声偏大
和偏小的可½性接近。从统计数据来看，此技术增强了该检测设备的精确性。抖动技术的½用不需½用者做任½工
½，也不需要任½专业知识。
线性和非线性误差：
“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备采用最优的组件，这½得模数½换器（ADC）中最常出现
的误差最少化了。ADC 的最常见误差主要分两类：即线性和非线性误差。线性误差 包括增益误差和偏移误差。这
两种误差可相对方便的用一个简单的线性公式得以纠正。“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备
的自校准功½可以自动地校准线性误差。然而，非线性误差由于其难以在½件中纠正，将此类误差最小化则在设备
的设计中显得犹为重要。非线性误差包括微分非线性(DNL) 和积分非线性
(INL)。如图 3
所示，微分非线性指的是
DAQ
设备在检测不同电压高½时的差异。积分非线性是微分非线性误差的总和。高质量的组件与优越的板卡设计
相结合，最小化了非线性误差带来的½响。
图
3a
除了我们熟知的增益和偏移等一阶误差之外，INL
& DNL
等高阶线性误差也可对精度造成极大的½响。即½我们公
认
DAQ
设备的精度由模拟-数字½换器的精度所决定，½根据将模拟-数字½换器集成到电路板设计中所采用方式
的不同，还可½出现许多误差源。对于在线性技术应用注解
71(Linear Technology's Application Note 71)中所述的
性½较差的参考旁路，除了在图
3b
中所示的模拟-数字½换器的误差之外，还可½另外造成显著的误差½响。½用
同样的市售模拟-数字½换器，我们可以发现小至
1.77
½的
INL
或大至
14
½的
INL。
图
3b
输入阻抗：
若将一½阻抗输入的测量硬件连接到传感器或电流回路上，您的系统可½会不堪重负并导致测量误差。“即测即
用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备具有 1-100GW
的高输入阻抗，因此，您可以½松连接线路，无需
对传感器或电流回路½任½的改变。
信号调理：
信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被½视的一部分。许多传感器½要求½用专门信号调理技术，而没有哪
种
DAQ
设备½为所有的传感器提供各种类型的信号调理功½。比如说，热电偶产生的是½电压信号，它还需要进
一步的放大、过滤、以及线性化等处理。
NI
提供两种信号调理产品——SCXI（Signal
Conditioning eXtensions for Instrumentation）和 SCC。
SCXI（如图
4
所示）用于解决中高通道数信号调理应用问题。您可以将各种信号调理模块混合匹配½用，并把他
们安装在一个
SCXI
机箱里面。只要将这一机箱与“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备连接，
所有的模块即可被自动检测并加入到
DAQ
配½½件中。
图
4 SCXI
信号调理系统
SCC
是适用于½通道应用便携式信号调理平台。不象
SCXI
一个模块同时处理一组信号，SCC 平台为每一个信号
提供单独的模块。SCC 平台还提供了切换开关、LED，以及
BNC
和
LEMO
等常用的连接端子。无论是
SCXI，还
是
SCC
平台½有用于测量、激励、隔离和过滤的模块。图
5
是
SCC
系统的展示图。
图
5 SCC
信号调理
校准：
电子元件会随着时间和环境的变化发生漂移。随着时间的流逝和环境的改变，电子器件的性½会受到½响。例如，
某
DAQ
系统在
25°C
时读数为
2.00V，而一年之后，即½在同样温度下，度数就可½变为 2.01V
了。为补偿此类
漂移，需要对
DAQ
设备进行定期的调整或校准。½对“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备进
行校准时，我们将测试结果与已知的标准值½比较。若测量结果不在规格之内，则该设备就必须进行一定的调整。
校准有如下步骤：
1.
2.
3.
检查
DAQ
设备的½前运½是否在规定的误差范围之内
若超出允许的范围，必须做一定的调整；调整之后，再次检查
DAQ
设备的运½是否符合规定
发布校准证书，说明该设备经与可溯源标准比较，可在规定范围内操½。
“即测即用”数据采集(Measurement-Ready
DAQ)设备具有高精度的板上电压源，½得间歇性的自校准成为可
½。自校准过程只需要½件的一个½令即可，无须其他信号连接，也无须多于操½。所有的“即测即用”数据采集
(Measurement-Ready DAQ)设备出厂时½附有 NIST
可溯源校准证书。½于德州奥斯汀的
NI
总部为我们的各种产
品提供细致的校准服务。NI 中½分公司同时委托½家级计量单½上海计量测试技术研究院为有需求的用户提供专
业校准服务，颁发中文校准证书，确保产品的长期测量精度。
在½时间漂移量降至最½的过程中，也需要½用同样精确的参考电压½您的
DAQ
设备随着环境温度变化保持稳
定。½范围为±200
mV
时，NI
PCI-6052E
在一年的时间里漂移了
88.8 V，而模拟设备 AD291
精确电压参考在
同样的时间内漂移达
740 V。即½½将一个精密电压参考与一个发生时间漂移的 NI PCI-6052E
上的所有部件相
比较时，NI 设备也表现出
88%的精度改善。
完美的½件集成
½用新的
DAQ Assistant（DAQ
助手）进行交互式配½和代码生成
与
NI-DAQ
绑定的
DAQ Assistant
提供对话框向导逐步的引导您完成整个配½、测试以及编程测量任务。另外，它
还可以自动生成底层自定义代码。与
LabVIEW
中其它可配½的
VI
结合½用，DAQ
Assistant
½数据采集应用程序
的开发变得更加容易、快捷。
配½服务
与
NI-DAQ
绑定的测量及自动化管理器用来简化测量硬件的配½。您可以快速检测和配½所有的硬件，并½用交互
式测试面板确认其运行。您还可以浏览最后一次校准外部设备的日期，并执行内部自校准。
Measurement Ready (即测即用)
的虚拟通道
½用
NI-DAQ，您可以从 22
种预先配½½的
Measurement Ready
虚拟通道中进行选择，这些通道包括电压、应
变、电流输出、脉冲½度以及数字端口输出。您可以采用您实际需要测量的单½来对这些虚拟通道进行配½，并让
NI-DAQ
决定如½配½您的
DAQ
和信号调理设备从而完成测量。与
NI-DAQ
绑定的
DAQ Assistant
提供对话框向
导逐步的引导您完成整个配½、测试以及编程测量工½。图
6
所示是一个热电偶测量的配½示例。
图
6
在您完成传感器虚拟通道配½后，可以在
LabVIEW, LabWindows/CVI, C++, C#,
或
Visual Basic .NET
中生成数
据采集代码。图
7
和
8
给出了两个
NI LabVIEW
程序的示例，它们进行一次简单的热电偶测量并产生相同的结
果。图
7
是一个虚拟通道并采用自动生成代码；图
8
显示的是只½用传统
NI-DAQ LabVIEW
½数（VI）来采集并
标定温度值。
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