導入同步采樣技術(shù)　多任務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，運用時須注意各種架構(gòu)會有不同的輸入通道采樣率，將影響DAQ本身的精確度。此外，透過軟件也可在DAQ上實現(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，主要有三項選擇要件，即速度、分辨率與通道數(shù)。無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)應用。由于跨多個通道進行同步采樣的模擬輸入架構(gòu)，可能影響這些輸入通道進行采樣的速率，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)。 

多任務架構(gòu)衍生SSH 

兩項最常見的同步采樣架構(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(Multiplexed)架構(gòu)所衍生，而多任務架構(gòu)最常用于中到高通道數(shù)的DAQ裝置。多任務裝置是使用一組放大器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進行多個輸入通道的采樣，而往往在連續(xù)采樣間形成時間延遲，雖然可縮短此時間延遲，但是其幅度仍受限于ADC與放大器的整合效能。為了要以多任務架構(gòu)進行同步采樣，DAQ裝置須在ADC與放大器之前即容納各個輸入通道的SSH電路，此SSH電路可設計于DAQ裝置內(nèi)或另外購買，并附加至DAQ裝置，用于信號處理作業(yè)。

圖1　SSH、多任務架構(gòu)與多任務裝置示意圖

在作業(yè)期間，SSH電路可于各個輸入掃描之前，先行追蹤所接收的信號。在掃瞄開始前，DAQ裝置將同步針對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SSH的方法，即便是于不同時間進行輸入采樣，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)，主要是因為各個通道的成本所費不貲。然而，當此架構(gòu)在10多年前盛行之時，若與每個通道僅具備一組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16位ADC的價位下跌將近75%，也因此每個輸入通道若使用ADC/放大器，可達更高的成本效益。

資料來源：ADC供貨商，美商國家儀器整理

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，由于每個通道的成本已降低甚多，因此要如何選擇使用SSH/多任務架構(gòu)以切合所需就特別重要。若要將SSH電路附加至復雜的多任務架構(gòu)時，則必須考慮額外的趨穩(wěn)時間(Settling Time)與潛時問題。SSH電路的潛時包含保持/追蹤模式的趨穩(wěn)時間，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用，如聲音、振動與瞬時記錄(Transient Recording)。 

舉例來說，若某一款多任務裝置可達100kSample/s采樣率，并掃描八個通道，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%的潛時來算，則每通道僅剩8.3kSample/s的采樣率。多任務架構(gòu)并未針對每通道的采樣率進行最佳化，因此亦應為同步采樣應用的重要考慮。若再加上SSH電路，則會進一步降低其可應用性。

不論多任務DAQ裝置是否具備SSH電路，一般均已針對直流(DC)量測進行了最佳化，因為最常見的量測信號類型即為溫度、靜態(tài)應變、靜態(tài)壓力等。由于這些多任務DAQ裝置，均針對多個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，同時維持DC的精確度。當多任務DAQ裝置可因應趨穩(wěn)時間的錯誤，或是由某筆信號影響鄰近信號所造成的錯誤時，則可能產(chǎn)生中到高輸入頻率的失真(Distortion)。失真對溫度或壓力讀數(shù)的影響不大。但是對動態(tài)量測作業(yè)來說，幾乎是不允許發(fā)生中到高頻率的失真情形。而多任務架構(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，應可先行剔除多任務架構(gòu)。

多重ADC簡化DAQ信號路徑

多重ADC架構(gòu)可為每通道提供較高的采樣率、較高的動態(tài)精確度，并降低復雜性。此架構(gòu)并不需多任務器即可將所有信號連接至單一ADC，亦不需要額外的SSH電路就可進行同步采樣，由于不須搭配多任務器與SSH電路，因此大幅簡化DAQ裝置上的信號路徑。如此可最佳化DC量測與動態(tài)量測作業(yè)，并可維持低價位的通道。多重ADC架構(gòu)極富彈性，可個別或同步采樣多筆信號，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　多任務架構(gòu)與多重ADC速度與分辨率比較表

型號

架構(gòu)

速度

分辨率

通道(Diff)

PCI-6250

多任務

1.25MSample/s

16位

8

PCI-6143

多重ADC

每通道250kSample/s

16位

8

一如預期，多任務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中的多任務裝置可達五倍速度，但多重ADC裝置在四個通道以上的應用中，仍將提供較高的采樣率，事實上，當進行全部八個輸入通道的采樣時，多重ADC裝置可提供超過100%的傳輸量，而成本卻僅須增加約20%。請注意，此范例中的多任務裝置無法進行同步采樣，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，應如何進行同步采樣？答案就是軟件，亦即將同步采樣作業(yè)移交給計算機處理器。雖然有多種方法可同步化，但若針對不同的已知點，透過數(shù)值法(Numerical Method)對齊(Align)波形仍為精確且有效的方法，以數(shù)值方法對齊波形，并不僅限于后續(xù)處理作業(yè)，亦可用于實時處理。針對低到中采樣率的應用而言，低價位計算機的處理功能并不足以實時應付多個通道的數(shù)據(jù)，因此不須真正全部采用可同步采樣的硬件。 

舉例來說，若多任務DAQ裝置并未附加SSH電路，則無法進行同步采樣，然而，由于連續(xù)數(shù)據(jù)點之間有已知的時間延遲，其實可考慮用于波形對齊表達式，此時間延遲可用于對齊多筆信號，且不須附加電路亦可進行同步采樣。 

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

圖5　多任務裝置DAQ兩通道數(shù)據(jù)采樣

圖6　利用線性內(nèi)插對其表達式所得的對齊數(shù)據(jù)

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

圖7　LabVIEW軟件中的Align and Resample接口

還有多個案例無法使用對齊表達式，包含瞬時信號與其它任何具有已知失真數(shù)據(jù)的信號，則建議搭配使用重復性的信號。針對低到中采樣率的應用，若以多任務DAQ裝置進行數(shù)值信號對齊法，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，亦可套用至多種應用中，包括聲音與振動到瞬時記錄。