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導(dǎo)入同步采樣技術(shù)　多任務(wù)DAQ能力提高

DAQ有多種附加架構(gòu)可采用,，包括SSH與多重ADC等,，運(yùn)用時(shí)須注意各種架構(gòu)會(huì)有不同的輸入通道采樣率,，將影響DAQ本身的精確度,。此外,，透過(guò)軟件也可在DAQ上實(shí)現(xiàn)同步采樣功能,。

在選擇同步采樣數(shù)據(jù)采集(DAQ)適配卡時(shí),，主要有三項(xiàng)選擇要件,，即速度,、分辨率與通道數(shù),。無(wú)論是示波器或溫度記錄器，幾乎適用于所有裝置的適配卡，然而,，DAQ適配卡所使用的架構(gòu),，亦可能影響這些規(guī)格與相關(guān)應(yīng)用。由于跨多個(gè)通道進(jìn)行同步采樣的模擬輸入架構(gòu),，可能影響這些輸入通道進(jìn)行采樣的速率,，亦將影響DAQ適配卡本身的精確度，因此必須特別注意這些架構(gòu),。 

多任務(wù)架構(gòu)衍生SSH 

兩項(xiàng)最常見(jiàn)的同步采樣架構(gòu)為同步采樣與保持(Simultaneous Sample and Hold, SSH)(圖1),，以及多重模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Multi-analog-to-digital Converter)。SSH架構(gòu)由多任務(wù)(Multiplexed)架構(gòu)所衍生,，而多任務(wù)架構(gòu)最常用于中到高通道數(shù)的DAQ裝置,。多任務(wù)裝置是使用一組放大器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行多個(gè)輸入通道的采樣，而往往在連續(xù)采樣間形成時(shí)間延遲,，雖然可縮短此時(shí)間延遲,，但是其幅度仍受限于ADC與放大器的整合效能。為了要以多任務(wù)架構(gòu)進(jìn)行同步采樣,，DAQ裝置須在ADC與放大器之前即容納各個(gè)輸入通道的SSH電路,，此SSH電路可設(shè)計(jì)于DAQ裝置內(nèi)或另外購(gòu)買(mǎi)，并附加至DAQ裝置,，用于信號(hào)處理作業(yè),。

圖1　SSH、多任務(wù)架構(gòu)與多任務(wù)裝置示意圖

在作業(yè)期間,，SSH電路可于各個(gè)輸入掃描之前,，先行追蹤所接收的信號(hào)。在掃瞄開(kāi)始前,，DAQ裝置將同步針對(duì)SSH電路置于保持模式,，而各組SSH電路中的電容將維持穩(wěn)定的電壓。在依序掃描所有輸入之后,，DAQ裝置將SSH電路轉(zhuǎn)為追蹤模式,，并等待下一次的保持模式指令，透過(guò)SSH的方法,，即便是于不同時(shí)間進(jìn)行輸入采樣,，亦可同步化輸入電壓(圖2)。

圖2　SSH電路作業(yè)示意圖

過(guò)去SSH架構(gòu)普遍用于中到高通道數(shù)的同步采樣系統(tǒng),，主要是因?yàn)楦鱾€(gè)通道的成本所費(fèi)不貲,。然而，當(dāng)此架構(gòu)在10多年前盛行之時(shí),，若與每個(gè)通道僅具備一組ADC/放大器相較,，再多容納一組SSH電路的成本甚至更低廉(圖3)。在最近15年內(nèi)，常見(jiàn)16位ADC的價(jià)位下跌將近75%,，也因此每個(gè)輸入通道若使用ADC/放大器,，可達(dá)更高的成本效益。

資料來(lái)源：ADC供貨商,，美商國(guó)家儀器整理

圖3　1990～2004年12與16位ADC成本比較

與平行的多重ADC架構(gòu)相較,，由于每個(gè)通道的成本已降低甚多，因此要如何選擇使用SSH/多任務(wù)架構(gòu)以切合所需就特別重要,。若要將SSH電路附加至復(fù)雜的多任務(wù)架構(gòu)時(shí),，則必須考慮額外的趨穩(wěn)時(shí)間(Settling Time)與潛時(shí)問(wèn)題。SSH電路的潛時(shí)包含保持/追蹤模式的趨穩(wěn)時(shí)間,，以及所有輸入通道共享的掃描速率,，均將影響這些裝置能否順利套用至高采樣率的同步采樣應(yīng)用，如聲音,、振動(dòng)與瞬時(shí)記錄(Transient Recording),。 

舉例來(lái)說(shuō)，若某一款多任務(wù)裝置可達(dá)100kSample/s采樣率,，并掃描八個(gè)通道,，則采樣率將平均降為每通道12.5kSample/s。若再加上SSH電路與再降低每通道掃瞄率30%的潛時(shí)來(lái)算,，則每通道僅剩8.3kSample/s的采樣率,。多任務(wù)架構(gòu)并未針對(duì)每通道的采樣率進(jìn)行最佳化，因此亦應(yīng)為同步采樣應(yīng)用的重要考慮,。若再加上SSH電路，則會(huì)進(jìn)一步降低其可應(yīng)用性,。

不論多任務(wù)DAQ裝置是否具備SSH電路,，一般均已針對(duì)直流(DC)量測(cè)進(jìn)行了最佳化，因?yàn)樽畛Ｒ?jiàn)的量測(cè)信號(hào)類型即為溫度,、靜態(tài)應(yīng)變,、靜態(tài)壓力等。由于這些多任務(wù)DAQ裝置,，均針對(duì)多個(gè)輸入通道共享相同的ADC/放大器整合,，因此ADC/放大器必須能于高掃描速率吸收輸入所發(fā)生的重大變化，同時(shí)維持DC的精確度,。當(dāng)多任務(wù)DAQ裝置可因應(yīng)趨穩(wěn)時(shí)間的錯(cuò)誤,，或是由某筆信號(hào)影響鄰近信號(hào)所造成的錯(cuò)誤時(shí)，則可能產(chǎn)生中到高輸入頻率的失真(Distortion),。失真對(duì)溫度或壓力讀數(shù)的影響不大,。但是對(duì)動(dòng)態(tài)量測(cè)作業(yè)來(lái)說(shuō)，幾乎是不允許發(fā)生中到高頻率的失真情形。而多任務(wù)架構(gòu)雖可將失真情況降至最低,，但必須附加額外電路并耗用更多成本,；因此在選擇所需架構(gòu)時(shí)，應(yīng)可先行剔除多任務(wù)架構(gòu),。

多重ADC簡(jiǎn)化DAQ信號(hào)路徑

多重ADC架構(gòu)可為每通道提供較高的采樣率,、較高的動(dòng)態(tài)精確度，并降低復(fù)雜性,。此架構(gòu)并不需多任務(wù)器即可將所有信號(hào)連接至單一ADC,，亦不需要額外的SSH電路就可進(jìn)行同步采樣，由于不須搭配多任務(wù)器與SSH電路,，因此大幅簡(jiǎn)化DAQ裝置上的信號(hào)路徑,。如此可最佳化DC量測(cè)與動(dòng)態(tài)量測(cè)作業(yè)，并可維持低價(jià)位的通道,。多重ADC架構(gòu)極富彈性,，可個(gè)別或同步采樣多筆信號(hào)，此外,，輸入采樣率將保持穩(wěn)定,，并不受輸入數(shù)量所影響。若比較高速多任務(wù)裝置(不含SSH)與低到中速的多重ADC裝置,，輸入傳輸?shù)姆椒匆蚣軜?gòu)而有所不同(表1),。

表1　多任務(wù)架構(gòu)與多重ADC速度與分辨率比較表

型號(hào)

架構(gòu)

速度

分辨率

通道(Diff)

PCI-6250

多任務(wù)

1.25MSample/s

16位

8

PCI-6143

多重ADC

每通道250kSample/s

16位

8

一如預(yù)期，多任務(wù)裝置的每通道采樣率,，將依通道數(shù)增加而遞減(圖4),；而多重ADC裝置的采樣率則維持不變。即便表1中的多任務(wù)裝置可達(dá)五倍速度,，但多重ADC裝置在四個(gè)通道以上的應(yīng)用中,，仍將提供較高的采樣率，事實(shí)上,，當(dāng)進(jìn)行全部八個(gè)輸入通道的采樣時(shí),，多重ADC裝置可提供超過(guò)100%的傳輸量，而成本卻僅須增加約20%,。請(qǐng)注意,，此范例中的多任務(wù)裝置無(wú)法進(jìn)行同步采樣，且若附加SSH電路,，則更可能降低約30%的采樣率,。

圖4　多重ADC與多任務(wù)裝置通道數(shù)與采樣率關(guān)系圖

軟件可同步化所有頻率硬件

若DAQ裝置并不具備同步采樣功能，應(yīng)如何進(jìn)行同步采樣,？答案就是軟件,，亦即將同步采樣作業(yè)移交給計(jì)算機(jī)處理器,。雖然有多種方法可同步化，但若針對(duì)不同的已知點(diǎn),，透過(guò)數(shù)值法(Numerical Method)對(duì)齊(Align)波形仍為精確且有效的方法,，以數(shù)值方法對(duì)齊波形，并不僅限于后續(xù)處理作業(yè),，亦可用于實(shí)時(shí)處理,。針對(duì)低到中采樣率的應(yīng)用而言，低價(jià)位計(jì)算機(jī)的處理功能并不足以實(shí)時(shí)應(yīng)付多個(gè)通道的數(shù)據(jù),，因此不須真正全部采用可同步采樣的硬件,。 

舉例來(lái)說(shuō)，若多任務(wù)DAQ裝置并未附加SSH電路,，則無(wú)法進(jìn)行同步采樣,，然而，由于連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間有已知的時(shí)間延遲,，其實(shí)可考慮用于波形對(duì)齊表達(dá)式,，此時(shí)間延遲可用于對(duì)齊多筆信號(hào)，且不須附加電路亦可進(jìn)行同步采樣,。 

在圖5中的兩筆輸入信號(hào),，是以不同的實(shí)體(Instance)進(jìn)行采樣，近似于多任務(wù)DAQ裝置的數(shù)據(jù),。在將線性內(nèi)插(Interpolation)對(duì)齊表達(dá)式套用至圖5的Channel 2后,，圖6顯示對(duì)齊的數(shù)據(jù)，即精確仿真了同步采樣硬件,。雖然此范例套用簡(jiǎn)易的線性內(nèi)插表達(dá)式,，其實(shí)還有更為完整且精確的表達(dá)式可供利用，如樣條(Spline)或脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)篩選,。

圖5　多任務(wù)裝置DAQ兩通道數(shù)據(jù)采樣

圖6　利用線性內(nèi)插對(duì)其表達(dá)式所得的對(duì)齊數(shù)據(jù)

LabVIEW中的「Align and Resample」Express VI即提供簡(jiǎn)單易用的接口(圖7),，可設(shè)定對(duì)齊或重新采樣作業(yè)。一旦設(shè)定完畢,，只要將多組波形傳輸至「align and resample.vi」,，即可執(zhí)行處理作業(yè),，此表達(dá)式亦可實(shí)時(shí)或于后續(xù)處理時(shí)套用,。

圖7　LabVIEW軟件中的Align and Resample接口

還有多個(gè)案例無(wú)法使用對(duì)齊表達(dá)式，包含瞬時(shí)信號(hào)與其它任何具有已知失真數(shù)據(jù)的信號(hào),，則建議搭配使用重復(fù)性的信號(hào),。針對(duì)低到中采樣率的應(yīng)用，若以多任務(wù)DAQ裝置進(jìn)行數(shù)值信號(hào)對(duì)齊法,，則可建構(gòu)高成本效益與精確的解決方案,。在廠商推出的產(chǎn)品中,，已有數(shù)個(gè)產(chǎn)品系列具備同步采樣功能，這些產(chǎn)品囊括低至Hz以下(sub-Hz)～200MHz采樣率,，還有8～24位分辨率,，根據(jù)產(chǎn)品的功能與規(guī)格范圍，亦可套用至多種應(yīng)用中,，包括聲音與振動(dòng)到瞬時(shí)記錄,。