选择示波器/数据采集卡等数字化仪产品需要考虑的10个方面

数据采集卡又叫数字化仪，英文名称是DAQ或digitizer，是把传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，通过模数转换（ADC），再把数字信号送到上位机中进行分析，处理（像成像）。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡是一种软件和硬件结合的产品，最终都要与计算机实现通信，是一种实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PXIe、PCI、PCI Express、VME、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机或工业计算机。数据采集卡由于是一个软硬件结合的产品，产品比较复杂，涉及到的参数也比较多，下面列出10个重要参数，以及这些参数小编的理解。

1. 带宽

由信号频谱图可以观察到一个信号所包含的频率成分。把一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。因此可以说，信号的频率变化范围越大，信号的带宽就越宽。带宽通常指功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的频率范围，又叫3dB带宽。

在一般情况下，数据采集卡的带宽应至少是信号最高频率分量的两倍。具体解释可参照采样定理及奈奎斯特定理。

2. 采样速率

采样率就是数字采集卡/示波器模数转换器（ADC）将输入信号数字化的时钟速率，每个数据采集卡都有内部晶振，晶振是按固定频率振动的，采样率的调整是数据采集卡内部电路调节的结果。需要强调的是，采样率和带宽没有直接的关系。

数字化仪的实时采样率=3〜4倍数字采集卡的带宽

奈奎斯特定理指出，为了避免混叠，数字化仪器的采样率至少需要为被测信号中最高频率分量的两倍。然而，采样速率刚好等于最高频率分量的两倍并不足以准确地再现时域信号。为了准确地数字化输入信号，数字化仪的实时采样率应至少为数字化仪带宽的三到四倍。

3. 采样模式

采样模式主要有实时采样和等效时间采样（ETS）两种。

实时采样特别适合频率范围不到示波器最大采样率(数字示波器在对信号波形进行数字化时，单位时间内采集数据的次数就是采样率。)一半的信号（即满足采样条件：采样信号频率>=2被测量信号）。在这种情况下，示波器可以在波形的一次“扫描”中采集远远足够的样点，构建准确的图像，实时采样是使用数字示波器捕获快速信号、单次信号、瞬态信号的唯一方式。

等效采样可以使用低于原始信号两倍频率的采样频率不失真的采样并还原原始信号，适合于对高频周期信号的采样和分析。如在测量高频信号时，示波器可能不能在一次扫描中搜集足够的样点。可以使用等效时间采样，准确地采集频率超过采集率/2.5的信号。等效时间采样通过从每次重复中捕获少量信息，构建重复信号的图像，如下图所示，波形缓慢构建，象一串灯一样，一个接一个地亮起。示波器可以准确地捕获频率成分远远高于示波器采样率的信号。

等效采样的基本原理是把高频、快速信号变成低频、慢速重复信号进行采集。为了达到低速采样还原高频信号的目的，要求被测信号一定是周期变化的，如果将每个采样点安排在不同信号周期内，而不是在同一个周期的话，就可以大大降低采样频率。最后通过数学方法再将多个周期内的采样点还原到一个周期内，重构被测信号。

4. 分辨率和动态范围

数字示波器和数字化仪都通过 ADC将模拟信号转换为数字信号。ADC芯片有一个重要指标，就是比特数又叫垂直精度，一般是8bit、16bit、24bit，比特数就是数字化仪的分辨率。对于任意给定的输入范围，以数字方式表示信号的可能离散电平点数为2的8次方，2的16次方，或者2的24次方，其中8，16，24就是数字化仪的分辨率。当输入范围分成N（8,16,24等）级时，数字化仪可检测的最小可能电压就表示为（输入范围/2的N次方）。例如，一个8位数字化仪把10 Vpp 的输入范围分为2的8次方=256级，每级39毫伏，而24 位的数字化仪则将相同的10Vpp输入范围分为2的24 次方= 16,777,216 级，每级596 nV（比8位数字化仪约小65,000 倍）。使用高分辨率的数字化仪一般是用来测试小信号的，低分辨率的数字化仪一般用来测试大信号，具体应用很多是需要中和考虑的。毕竟采集卡采样率越高，精度越高，价格也越贵。

数字示波器通常都是8位分辨率的 ADC，这对大多数应用是足够的，但对于微小信号检测，精确的频谱分析是远远不够的。

5. 信号输入模式

信号输入模式有两种，一种是单端（Single-ended）输入模式，一种是差分（Differential）输入模式，具体比较见下列表。

6. 触发

通常情况下，示波器和数字化仪用于基于特定事件的信号采集。仪器的触发功能目的是采集你想要的信号，不采集无用的信号，采集的信号越多，数据也就越大，对数据保存、传输和处理都是一个挑战，最重要的是，用户所关心的信号大多数是整个信号的很小一部分。

触发主要有两种：软件触发和硬件触发。

软件触发及通过软件控制开始和结束。硬件触发是通过对外部信号的判断，像上升沿、下降沿、高电平、低电平等触发，从而实现对采集卡的触发。

需要明确的是，触发并不是类似数字化仪的开关，是对数据保存的一种控制，只要仪器打开，ADC芯片是在不停的进行模数转换的，而触发决定了是否把有效的数据存储起来。

7. 板载内存

板载内存，也就是数字化仪/数据采集卡的存储大小。信号数字化之后，数据只能通过传输或者保存，很多时候，受总线带宽的限制，数据没法实时传输，只能先保存到数字化仪和数据采集卡中。板载内存还有一个功能是有利于板载计算，像板载计算模块FPGA 也能有一定内存，但一般是KB级别的，对于大多数应用是不够的，但如果有板载内存，这个FPGA计算可以扩展是GB级别，为很多需要用到板载实时处理的应用需求提供了可能。

如果接口总线无法以与采样率相同的速率持续传输数据，那么板载内存可以使仪器以最大的速率采集信号，并将数据发送到PC进行处理。

	Single-ended输入模式	Differential输入模式
硬件信号线连接方式	对于每一个信号源，都有一根线，连接到你所用到的数据采集接口上。	两根信号线，连接对应的信号源。每一根接到对应的输入端，比如a+和a-。
数据采集方式	测量信号与地（ground）之间的差别	有两个高阻抗的功率放大器，检测输入端与接口地端之间的电压。还有第三个功率放大器，用来算出前两个功放所测得的电压，即a+和a-，之间差值。这样就排除了两者之间公共的电压所带来的影响。
用此法的前提	（1）信号线是接地的（2）采样设备的ground和信号源的ground是相同的（值）
缺点	（1）地电平差异：一般设备是认为ground是0V的常量，但是实际上，不同的位置，常有不同的电平。两者位置越接近，电平越接近于相同。但是如果将两者的地连接在一起的话，电平差值会导致一个大电流，即接地回路。这会导致在使用Single-ended模式输入的时候会出错。（2）噪音错误：Single-ended模式输入对于噪音错误很敏感。噪音，即非期望的信号组合。由于信号线就像天线，会捕获环境电子活动，导致了噪音的产生。而对于Single-ended模式，是无法区分噪音和实际信号的。使用differential输入，可以解决接地和噪音的问题。	（1）信号浮空：使用差分模式最常见的一个问题就是忘了将某个连接接地，即浮空。例如电池供电的设备和热电偶没有接地的连接。例如，你可以在+和–输入之间接上一个电池。然后两个输入放大器会去监视+到地的电压和–到地的电压。然而，由于没有电池和地之间没有连接，这些测得的电压可能是任何的值，也许就就会超过放大器的处理范围。对于这些浮空的信号源，应当提供一个参考源。比如Microlink有一个标示为0V的插槽。从“–”线上连一个连到这个0V的插槽，或者直接通过一个电阻相连，即可解决此问题。而如果你的信号本身是自接地的，那么就不需要接这个0V了。（2）三个用来差分输入检测的放大器，总称为设备放大器。如前所述，理想情况下，对于两根线共有的电压，都可以因差分计算而被消除掉。而实际上，两个输入放大器，并不能完美的互相匹配，因此对于公共电压，多少会出现一些差别的。对于设备放大器接近于理想情况的程度大小，可以表述为共模抑制比，单位是分贝。此参数越高越好。另外需要考虑的一点是，公共电压的范围，即放大器所能处理的最大的公共电压，如果环境电压超过此阈值，那么测量结果就不准确了。（你的硬件操作范围也许可以设计的比公共电压范围更大，但是操作电压范围只能保证你的硬件不会被损坏，却不能保证一定能正常工作。）（3）差分输入需要更少的信号？差分输入和Single-ended输入相比，有一个显而易见的缺点：你需要两倍数目的线，然后你才可以连接到一半数目的信号。如果你只有更短的信号线，信号线之间更近，信号大于100mV的话，经过评估，觉得用Single-ended输入，对你也是OK的，这时，你可以在Single-ended输入模式中使用差分输入模式。具体做法是，短路其中一根信号线（通常是短路输入端）接到V输入上。这样的话，差分输入，就可以提供两种模式任你选了。
优点		解决了Single-ended模式所具有的问题，即，（只要他们的电压不是太大，而使得功法无法处理的话）使用此法测得的值，是与接地无关的。同样地，此法中，两个信号线，如果有噪音，那么也是相同的，而做了差值后，也就消除了，减去了噪音的干扰。

8. 通道数

通道数就是能采集信号的通道个数，这个比较好理解。但需要注意的是，示波器或数字采集卡等有很多通道，但并不是每个通道都是采集信号用的，还有触发通道、时钟通道，数字IO通道等。一般示波器2到4个通道，数据采集卡通道数可以比较多，多的可达几十甚至几百个通道。

9. 同步

几乎所有的自动化测试和许多台式应用都会需要同步，如示波器、信号发生器、激光器、开关、电机等等。同步分两种，内部同步和外部同步。

内部同步是通过总线，内部时钟等同步，像PXI、PXIe总线就自带同步功能，另外，也可以通过一个数据采集模块内部时钟作为主时钟，分发给其它模块来实现同步。

外部同步，是共用一个触发源和时钟源来同步，采集设备都能接收外部触发和外部时钟，如果共用同一个源，这样也能实现同步。

10. 软件

一般示波器或数据采集卡厂家都有自己也软件界面，可以直接使用，适合普通测试应用。

另外，数字化仪厂家也支持用户自定义。常见的编程语言有Labview, C/C++, GNU C++, Borland Delphi,VB.NET, C#, J#, Python等等。快速集成一般选择Labview比较好，如果是工程上面应用，最好还是选择最原始的C语言。