数据撷取系统的正确选择

　数据撷取方式的选择

　　数据撷取技术在过去 30 到 40 年间有了长足的进步。举例来说，40 年前，在一般大学的实验室中，用来追踪一缸钠-钨-青铜的温度上升情形的配备通常包括：一个热电耦、一个桥接装置、一张查阅表、以及一迭纸和铅笔等，但今日的大学生却很可能直接使用自动化的程序来进行，并且在 PC 个人计算机上分析数据。目前，可用来撷取资料的方法有很多种，至于哪一种才是最合适的选择要视几个因素而定，包括：任务的复杂度、所需的速度和准 确度、以及想要的文件化功能等。数据撷取系统的种类很多样，有简单的，也有复杂的，各自具有不同的效能和功能。

　　1.纸与笔

　　旧式的纸与笔记录方法在某些状况下仍然是有用的，具有便宜、随手可得、快速又容易开始进行等优点，您只需要接上一台数字万用电表(DMM)，就可以开始用手写的方式把数据记录下来。不幸的是，这种方法很容易出错，而且速度比较慢，又需要进行大量的手动分析。此外，这种方法只对单一频道的数据有用;虽然您也可以使用多台 DMM，但是整个系统很快就会变得笨重又难搞。准确度会取决于记录员的细心程度，而且可能需要手动地调整输入的大小，例如：如果 DMM 不是设定来处理温度传感器的话，就会需要手动地调整单位。在充分考虑这些限制之后，如果您需要进行快速的实验时，这往往也是一种可以接受的方法。

　　2.长条图记录器 (strip chart record er)

　　珍贵的长条图记录器的现代版可让您从多种输入来源撷取数据，这种方法能在纸上提供数据的永久记录，且因数据是以图形的方式呈现的，因此可以让您立即看出趋势走向。一旦设定好之后，大部分的记录器都具有足够的智慧可以自行运作，不需要人工的介入，也不必透过计算机来辅助。

　　其缺点包括：缺乏应用上的弹性以及准确度相当低，往往只局限于几个百分点的准确度，顶多只能察觉到绘图笔所描绘出来的小改变而已。当您需要在一长段时间内监测几个频道的时候，记录器虽然很合适，但其价值可能还是很有限，例如：无法用来打开或关闭另一个装置。其它的考虑还包括绘图笔和记录纸的维护、记录纸的供应、以及数据的储存等，这些到最后其实都会造成纸张的过度使用和浪费。尽管如此，这种记录器仍然相当容易设定和操作，可提供数据的永久记录，以进行快速又简单的分析。

　　3.扫描式数字万用电表

　　有些桌上型的 DMM 具有扫描功能的选项，仪器后面会有一个可以插入扫描卡的插槽，可用来多任务切换多个输入信号，一般具有 8 到 10 个频道的多任务切换能力是相当常见的。在 DMM 仪器面板上所固有的准确度及功能会维持不变，但弹性则有限，因为无法扩充到超过扩充槽所能容纳的频道数，一般会用一部外接的PC 来处理数据撷取和分析的工作。

　　4.PC 插入卡

　　PC 插入卡是一种单一电路板的量测系统，可使用 PC内的 ISA 或 PCI 总线的扩充槽，读取速率通常能达到每秒 100,000 次左右。常见的频道数为 8 到 16 个，所撷取到的数据会直接储存到计算机中，然后在计算机上进行分析。由于这种插入卡基本上是计算机的一部份，因此很容易进行测试的设定。PC 插入卡的价格也相当便宜，部分原因是它可以靠主机计算机来提供电源、外壳、以及使用者操作接口。

　　PC 插入卡的缺点是分辨率通常只有 12 位而已，因此无法察觉出输入信号的微小变动。此外，PC 内的电子环境有很多噪声，有高速的频率和总线噪声会到处辐射，往往这种电子干扰就是 PC 插入卡的准确度比掌上型 DMM 来得低的缘故。这些插入卡也只能量测相当有限的直流电压范围，若要量测其它的输入信号，如交流电压、温度或电阻等，则需要外接某种的信号调节配件才行。其它的考虑还包括校准问题多以及整体的系统成本过高等，特别是如果您需要购买额外的信号调节配件，或是一部 PC来安装这种插入卡的话。在充分考虑这些因素之后，如果您的需求与这种插入卡的功能和限制范围相符的话，PC 插入卡也不失为一种吸引人的资料搜集方法。

　　5.数据记录器

　　数据记录器通常是一种单机的仪器，一旦设定好之后，可以无须操作人员或是计算机的介入，自动地量测、记录和显示数据。这种数据记录器可以处理多种的输入信号，有时可以拥有多达 120 个频道。其准确度足以媲美单机式的桌上型 DMM，具有 22 位的分辨率和 0.004%的准确度效能。有些数据记录器还具有调整量测结果、依据使用者自订的限制值来检查量测结果、以及输出控制信号等能力。

　　使用数据记录器的优点之一是它已内建信号调节能力，大部分都可以直接量测多种不同的输入信号，无须另外使用信号调节配件。您可以使用其中一个频道来监测热电耦，另一个频道来监测电阻式温度组件(RTD)，而仍然可以使用第三个频道来监测电压。一般，其多任务器模块卡中都会内建热电耦参考补偿功能，可进行准确的温度量测。

　　数据记录器内建的智能功能可以协助您设定测试例程，并指定每个频道的参数。一旦您完成这些设定之后，数据记录器就可以独立地开始运作，就像一部记录器一样。数据可以直接储存在其内部的内存中，大约可以容纳 50,000 个或更多的读值。透过与 PC 的连接，很容易将数据传送到您的计算机上，进行深入的分析。大部分数据记录器的设计都是以弹性和简单设定及操作为目标，而且很多都可以提供利用电池或其它方法进行远地操作的选项。

　　视所使用的 A/D 转换器技术而定，有些数据记录器读取数据的速率相对而言比较慢 (特别是与许多PC 插入卡的速度相较之下)，不过，每秒 250 个读值的读取速度还是相当常见的。要记住：许多所监测的现象本质上都是物理性的，如温度、压力和气流等，其变化的速度相当慢。此外，由于数据记录器具有优异的量测准确度，因此不需要进行多次的读取和平均运算，但这些在 PC 插入卡的解决方案中通常都是必要的。

　　6.资料撷取前端 (front end)

　　数据撷取前端通常是模块式的，且一般会连接到 PC或控制器上，常在自动化的测试应用中使用，以撷取数据和控制及绕接信号到测试设置中的其它组件上。这种数据撷取前端可以达到非常高的效能，不论在速度或准确度上都足以与最佳的单机式仪器相比拟。数据撷取前端有多种的实做方式，包括 VXI 版本，如Agilent E1419A 多功能量测与控制 VXI 模块，以及一些专用的特殊卡槽箱 (card cage) 等。虽然前端的价位已持续降低当中，但这种系统还是相当昂贵，因此除非您需要这种系统所具备的高性能，否则其价格可能会让您打退堂鼓。就优点来说，这种系统可以提供相当大的弹性和极佳的量测能力。

　　数据记录器的应用

　　一部好的低价位数据记录器，也就是具有适中的频道数 (20 – 60 个频道) 以及相对低的扫描速率，对工程师常会碰到的许多应用来说已经很够用了，一些主要的应用包括：

　　· 产品的特性量测

　　· 电子产品的热效应特性分析

　　· 环境测试、环境监测

　　· 零组件特性量测

　　· 电池测试

　　· 大型家电用品 (white-goods) 测试

　　· 建筑物与计算机室监测

　　· 生产制程监测、评估与问题排除

　　壹、数据记录器的应用：

　　评估原型 IC 的自动化测试机台

　　1. 在测试用 PC 板上有一个快速安装座

　　2. 将 PC 板固定在加热器/冷却器上，以便在不同的温度条件下测试 IC

　　3. 使用 Visual Basic、GPIB 仪器以达到完全的自动化

　　结果：

　　· 可将评估时间缩短为一半

　　· 可得到准确且一致的结果

　　· 容易编写成文件

　　贰、数据记录器的应用：

　　量测新设计之电源供应器的特性

　　1. 检查输出电压和噪声位准

　　2. 仿真负载 (使用功率电阻来进行)，并检查温度上升情形和转换效率

　　3. 量测主要零组件的绝对温度

　　结果：

　　· 可缩短开发的时间

　　· 可透过限制内部的温度来提高可靠度

　　可得到验证过的电源供应器输入规格

　　哪一种数据撷取系统最适合您

　　没有任何一种数据撷取系统可以完全适合所有的应用，回答下列的问题或许可以协助您决定哪一种最符合您的需求：

　　1. 该系统是否与您的应用需求相符

　　· 系统的量测分辨率、准确度与噪声效能为何

　　· 扫描的速度有多快

　　· 所支持的传感器和量测功能为何

　　· 能否透过升级或扩充来满足未来的需求

　　· 可移植性如何

　　· 能以单机仪器的方式运作吗

　　2. 成本多高

　　· 软件是否包含在内 或是需要另外购买

　　· 需要再外加信号调节配件吗

　　· 保固期有多长

　　· 校准的容易度和费用如何

　　3. 使用的容易度如何

　　· 规格容易了解吗

　　· 使用者操作界面容易使用吗

　　· 针对新的应用重新配置设定的困难度有多高

　　· 数据能否很容易地移转到新的应用上

　　· 支持哪些套装应用软件

　　结论

　　数据撷取的方法有很多种，从纸、笔、加上量测设备的方法，到硬件仪器与软件分析工具所组成的高精密系统皆是。使用者在选购数据撷取设备或系统时，第一步要考虑的是必须先确定手边的工作性质以及所需的输出形式，然后再选择符合条件的设备类型和规格范围。所有买得到的精密设备和分析工具都是设计来协助使用者了解所要监测的现象，因此工具不过是一种达到目的的方法而已。