如何為量測系統選擇正確的 DAQ 硬體

引導您選擇正確 DAQ 硬體的 5 個問題

1. 要量測或產生何種類型的訊號？
2. 是否需要訊號處理功能？
3. 擷取或產生訊號樣本的速度為何？
4. 必須偵測到的最小訊號變化為何？
5. 量測應用可允許多大的誤差？

1.要量測或產生的訊號是哪種類型？

不同的訊號類型必須搭配不同的量測與產生方式。感測器 (或傳感器) 能將物理現象轉換為可量測的電子訊號，例如電壓或電流。您也可以反過來將可量測的電子訊號傳送至感測器，進而製造物理現象。所以必須徹底了解不同類型的訊號與相對應的屬性。只有先了解應用的訊號類型，才能進一步選擇 DAQ 裝置。

DAQ 裝置的功能

• 類比輸入可量測類比訊號
• 類比輸出可產生類比訊號
• 數位輸入/輸出可量測並產生數位訊號
• 計數器/計時器可計算數位事件，或產生數位脈衝/訊號

有些 DAQ 裝置僅擁有上述功能之一，而多功能 DAQ 裝置則可支援所有功能。一般來說，DAQ 裝置通常僅針對單一功能而提供固定數量的通道，如類比輸入、類比輸出、數位輸入/輸出，或計數器。因此在購買裝置時，必須為目前所需的通道數再多預留一些通道數，即可因應需要而達到更多通道。如果所購買的通道數只能滿足目前需求，那麼該硬體可能無法靈活因應未來的應用需求。

多功能 DAQ 裝置的通道數量也是固定的，但卻可以提供類比輸入、類比輸出、數位輸入/輸出、計數器等功能。多功能 DAQ 裝置可支援不同類型的 I/O，使您有能力滿足多種應用需求，而這是單一功能 DAQ 裝置沒有的優勢。

此外，您還可選用模組化平台，並且根據個人需求加以客制化。模組化系統通常包含 1 組機箱，可控制時序與同步化作業，同時控制各種 I/O 模組。模組化系統的優點在於可選用不同的模組，且各模組均具備專屬功能，進而打造出更靈活的設定配置。這樣一來，使用者會發現「執行單一功能的多個模組」往往會比「多功能的單一裝置」來得準確。模組化系統的另一個優點就是可以選擇機箱的插槽數量。雖然說機箱的插槽數量是固定的，但是在選購機箱時，可以預留更多插槽，以便日後擴充。

2.是否需要訊號處理功能？

一般通用的 DAQ 裝置可量測或產生 +/-5 V 或 +/-10 V 的訊號。而對於某些感測器所產生的訊號，可能無法直接使用這種 DAQ，甚至可能造成危險。所以大多數的感測器都需要放大或濾波等訊號處理功能，DAQ 裝置才能有效且準確地量測訊號。

舉例來說，熱電偶的輸出訊號是「mV」，需要放大功能才可以發揮類比轉數位轉換器 (ADC) 的效能。此外，熱電偶量測也可以透過低通濾波來消除高頻雜訊，進而確保量測品質。訊號處理功能還可改善 DAQ 系統的效能與準確度，單純的 DAQ 裝置根本望塵莫及。

表 1 針對不同類型感測器與量測作業，歸納出常見的訊號處理功能。

表 1.各種感測器與量測應用的訊號處理功能

如果使用的是表 1 內的感測器，就應考慮選用訊號處理功能。可選擇外接訊號處理功能，也可選擇內建處理功能的 DAQ 裝置。多款 DAQ 裝置還針對特定感測器內建連結功能，以便輕鬆整合感測器。

3.擷取或產生訊號樣本的速度為何？

DAQ 裝置最重要的規格之一就是取樣率，也就是 DAQ 裝置的 ADC 取樣速度。無論是硬體還是軟體時脈，標準取樣率通常可達每秒 2 MS。個人應用的取樣率取決於有待量測/產生的訊號之最高頻率。

根據奈奎斯特定理 (Nyquist Theorem)，只要把取樣率調整為所需最高頻率的兩倍，就可以準確地重建訊號。但實際上，取樣率至少應達最大頻率的 10 倍，才能呈現訊號形狀。若選擇的 DAQ 裝置取樣率可達到訊號頻率的至少 10 倍以上，即可確保量測訊號更為準確，或可產生更準確的訊號呈現。

假如目前需要量測頻率為 1 kHz 的正弦波，則根據奈奎斯特定理，取樣率至少要 2 kHz；但是 NI 強烈建議應該要 10 kHz 才能更準確重現該訊號。圖 1 比較了 2 kHz 與 10 kHz 取樣率所量測的 1 kHz 正弦波。

圖 1. 分別以 2 kHz 與 10 kHz 取樣率所呈現的 1 kHz 正弦波

一旦確定所要量測或產生訊號的最高頻率要素，即可選出合適取樣率的 DAQ 裝置。

4.必須偵測到的最小訊號變化為何？

所能偵測到的訊號最小變化，將決定 DAQ 裝置所需的解析度。解析度是指 ADC 所能呈現訊號的二進位數值。為了說明這一點，請想像一下透過不同解析度的 ADC 來傳輸某個正弦波會有什麼結果。圖 2 比較了 3 位元與 16 位元的 ADC。3 位元 ADC 可呈現 8 (2³) 個離散電壓準位。16 位元 ADC 則可呈現 65,536 (2¹⁶) 個離散電壓準位。使用 3 位元解析度所呈現出來的正弦波會比較像階梯，16 位元 ADC 所呈現的正弦波則是比較完整的。

圖 2. 3 位元與 16 位元解析度所呈現的正弦波

一般的 DAQ 裝置都可提供 +/-5 V 或 +/-10 V 的電壓範圍，可呈現的電壓準位則會平均分布在特定範圍內，以便充分運用 ADC 的解析度。舉例來說，如果 DAQ 裝置具備 +/-10 V 電壓範圍與 12 位元解析度 (2¹² 或 4,096 個均勻分布的準位)，就可以偵測到 5 mV 的電壓變化；而 16 位元解析度 (2¹⁶ 或 65,536 個均勻分布的準位) 的 DAQ 裝置則可偵測到 300 µV 的變化。大多數應用只需要 12、16、18 位元解析度即可滿足應用需求。但如果要量測的電壓範圍大小不一，建議可以選用具有動態範圍的 24 位元裝置。電壓範圍與解析度通常是選擇 DAQ 裝置的重要考量。

5.量測應用可允許多大的誤差？

「準確度」代表儀器能否忠實呈現受測訊號。準確度與解析度無關，但是絕對不會比儀器的解析度還要精確。量測作業的準確度取決於量測裝置的類型。理想的儀器隨時可以 100% 確實量測實際數值，但是實際上儀器所測得的數值仍帶有不確定性；這是由許多因素造成的，例如系統雜訊、增益誤差、偏移誤差、非線性度等。製造商針對不確定性所提供的常見規格就是「絕對準確度」(absolute accuracy)。此規格代表 DAQ 裝置在特定範圍內所產生的最大誤差。舉例來說，NI 多功能介面卡的絕對準確度計算方式如下：

絕對準確度 = ([讀數*增益誤差] + [電壓範圍*偏移誤差] + 雜訊不確定性)
絕對準確度 = 2.2 mV

同時還要注意到，準確度不僅受儀器本身所影響，也與所要量測的訊號類型有關。如果受測訊號帶有大量雜訊，當然會影響量測的準確度。市面上的 DAQ 裝置種類繁多，準確度與價格差異甚大。有些 DAQ 裝置具備自我校準、隔離功能、其他電路等，都可以提高準確度。基本的 DAQ 裝置或許可以達到 100 mV 以上的絕對準確度，而具有這些功能的高效能 DAQ 裝置甚至可以達到 1 mV 的絕對準確度。一旦確定自己的準確度需求，即可選出絕對準確度適當的 DAQ 裝置。

後續步驟：

• 下載「建置量測系統的完整指南」
• 針對量測系統選擇正確的匯流排
• 針對量測系統選擇正確的電腦
• 針對量測系統選擇正確的驅動軟體
• 針對量測系統選擇正確的應用軟體
• 針對量測系統選擇正確的顯示技巧