[科普中国]-数据采集卡

数据采集是指对设备被测的模拟或数字信号，自动采集并送到上位机中进行分析、处理。数据采集卡，即实现数据采集功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入计算机。1

分类基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。

按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。

根据总线的不同，可分为PXI/CPCI板卡和PCI板卡。2

功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。因此，应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收（发送）率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必要求较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数；时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。1

技术参数数据采集卡主要技术参数有如下几个指标：

（1）通道数：即板卡可以采集几路信号，分为单端和双端（差分）。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路。

（2）采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T=10us，则其采样频率f=1/T为100K（即100kHz），即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。常有100K、250K、500K、800K、lM、40M等。

（3）缓存：主要用来存储AD芯片转换后的数据。带缓存板卡可以设置采样频率，否则不可改变。缓存有RAM和FIFO两种。FIFO主要用作数据缓冲，存储量不大，速度快；RAM一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。

（4）分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量的值，常有12位、14位、16位等。如12位分辨率，当电压量程为5000mV，单位增量为（5000mV）/4096=1.22mV（注：2的12次方为4096）。

（5）精度：测量值和真实值之间的误差，即测量准确度。一般用满量程FSR（Full Scale Range）的百分比表示，常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等。如满量程范围为0~10V，其精度为0.1%FSR，则误差在10mV以内。

（6）量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V0～5V、0~10V。

（7）增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益。通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大，有两种型号PGA202（1、10、100、1000）和PGA203（1、2、4、8）的增益芯片。

（8）触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动AD转换方式。2

选型一般数据采集卡选型，按如下步骤进行，详细指标请参阅相应产品的样本或选型指南。

1.明确应用需求

在选择数据采集卡之前，必须全面分析应用需求，充分了解各种数据采集产品的特点、支持的开发平台种类、运行的操作系统环境以及开发难度等，然后根据有关指标进行合理选择。

2.选择总线的考虑

应用较广的包括PCI、PXI、USB、ISA等多种总线结构，不同的总线具有不同的传输速度、电气特性、结构尺寸、配置过程等，用户要根据自己所需的特性来选择。

3.选择采样率的考虑

系统的最高采样率取决于ADC芯片变换模拟信号的速率，通常单位是SPS（采样点/s）。根据奈奎斯特采样理论，采样频率必须是信号中最高有效频率的两倍以上，否则会产生混叠信号失真，俗称“假频”。对于很多用户，可能需要仔细观察分析信号的细节，往往需要更高的采样速率，通常建议选用最高采样率大于信号最高频率分量的5~10倍的采集卡。

4.选择分辨率和量程范围的考虑

首先是分辨率。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。举个实例：一个正弦波信号，采用分辨率为8bit，A/D转换所获得的数字结果相当于把输入范围细分为256份，一些微小细节变化在A/D转换过程中就会丢失，这正是由于分辨率不够高，在还原数据中产生量化噪声造成的。若采用分辨率为16bit，A/D转换的细分数值就可以从256增加到65536，由量化信噪比为SNR（dB）=（6.02×bit）+1.76，可知量化位数越多信噪比就越高。

在确定了A/D转换分辨率的情形下，应按照保证信号量化噪声较低，信噪比较高的原则，选择一个合适的量程，再通过信号调理将被采集信号调理在这个合理的量程内。

5.选择合适的产品型号

最后，还有输入阻抗、输出阻抗、通道数、信号线数、隔离等技术问题需要考虑，这些都与传感器和信号调理密切相关，必须结合起来统一考虑。在上述各指标选定以后，用户可根据“功能够用”的原则，选择符合要求的采集卡，找到合适的采集卡型号。不要盲目购买价格贵、功能超强的设备。一般来说当精度要求不是很高、采样频率较低时，PCI和USB总线的数据采集卡都可以满足要求；若工作环境比较恶劣，可以采用工控机；当采集精度要求较高，采样频率很高，工作环境比较恶劣时优先选用PXI类型的数据采集产品。2

本词条内容贡献者为:

闫晓东 - 副教授 - 中央民族大学信息工程学院