數(shù)據(jù)擷取方式的選擇

　　數(shù)據(jù)擷取技術(shù)在過(guò)去 30 到 40 年間有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。舉例來(lái)說(shuō)，40 年前，在一般大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，用來(lái)追蹤一缸鈉-鎢-青銅的溫度上升情形的配備通常包括：一個(gè)熱電耦、一個(gè)橋接裝置、一張查閱表、以及一迭紙和鉛筆等，但今日的大學(xué)生卻很可能直接使用自動(dòng)化的程序來(lái)進(jìn)行，并且在 PC 個(gè)人計(jì)算機(jī)上分析數(shù)據(jù)。目前，可用來(lái)擷取資料的方法有很多種，至于哪一種才是最合適的選擇要視幾個(gè)因素而定，包括：任務(wù)的復(fù)雜度、所需的速度和準(zhǔn) 確度、以及想要的文件化功能等。數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)的種類(lèi)很多樣，有簡(jiǎn)單的，也有復(fù)雜的，各自具有不同的效能和功能。

　　1.紙與筆

　　舊式的紙與筆記錄方法在某些狀況下仍然是有用的，具有便宜、隨手可得、快速又容易開(kāi)始進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)，您只需要接上一臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用電表(DMM)，就可以開(kāi)始用手寫(xiě)的方式把數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。不幸的是，這種方法很容易出錯(cuò)，而且速度比較慢，又需要進(jìn)行大量的手動(dòng)分析。此外，這種方法只對(duì)單一頻道的數(shù)據(jù)有用;雖然您也可以使用多臺(tái) DMM，但是整個(gè)系統(tǒng)很快就會(huì)變得笨重又難搞。準(zhǔn)確度會(huì)取決于記錄員的細(xì)心程度，而且可能需要手動(dòng)地調(diào)整輸入的大小，例如：如果 DMM 不是設(shè)定來(lái)處理溫度傳感器的話，就會(huì)需要手動(dòng)地調(diào)整單位。在充分考慮這些限制之后，如果您需要進(jìn)行快速的實(shí)驗(yàn)時(shí)，這往往也是一種可以接受的方法。

　　2.長(zhǎng)條圖記錄器 (strip chart record er)

　　珍貴的長(zhǎng)條圖記錄器的現(xiàn)代版可讓您從多種輸入來(lái)源擷取數(shù)據(jù)，這種方法能在紙上提供數(shù)據(jù)的永久記錄，且因數(shù)據(jù)是以圖形的方式呈現(xiàn)的，因此可以讓您立即看出趨勢(shì)走向。一旦設(shè)定好之后，大部分的記錄器都具有足夠的智慧可以自行運(yùn)作，不需要人工的介入，也不必透過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)輔助。

　　其缺點(diǎn)包括：缺乏應(yīng)用上的彈性以及準(zhǔn)確度相當(dāng)?shù)?，往往只局限于幾個(gè)百分點(diǎn)的準(zhǔn)確度，頂多只能察覺(jué)到繪圖筆所描繪出來(lái)的小改變而已。當(dāng)您需要在一長(zhǎng)段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)幾個(gè)頻道的時(shí)候，記錄器雖然很合適，但其價(jià)值可能還是很有限，例如：無(wú)法用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉另一個(gè)裝置。其它的考慮還包括繪圖筆和記錄紙的維護(hù)、記錄紙的供應(yīng)、以及數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存等，這些到最后其實(shí)都會(huì)造成紙張的過(guò)度使用和浪費(fèi)。盡管如此，這種記錄器仍然相當(dāng)容易設(shè)定和操作，可提供數(shù)據(jù)的永久記錄，以進(jìn)行快速又簡(jiǎn)單的分析。

　　3.掃描式數(shù)字萬(wàn)用電表

　　有些桌上型的 DMM 具有掃描功能的選項(xiàng)，儀器后面會(huì)有一個(gè)可以插入掃描卡的插槽，可用來(lái)多任務(wù)切換多個(gè)輸入信號(hào)，一般具有 8 到 10 個(gè)頻道的多任務(wù)切換能力是相當(dāng)常見(jiàn)的。在 DMM 儀器面板上所固有的準(zhǔn)確度及功能會(huì)維持不變，但彈性則有限，因?yàn)闊o(wú)法擴(kuò)充到超過(guò)擴(kuò)充槽所能容納的頻道數(shù)，一般會(huì)用一部外接的PC 來(lái)處理數(shù)據(jù)擷取和分析的工作。

　　4.PC 插入卡

　　PC 插入卡是一種單一電路板的量測(cè)系統(tǒng)，可使用 PC內(nèi)的 ISA 或 PCI 總線的擴(kuò)充槽，讀取速率通常能達(dá)到每秒 100,000 次左右。常見(jiàn)的頻道數(shù)為 8 到 16 個(gè)，所擷取到的數(shù)據(jù)會(huì)直接儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。由于這種插入卡基本上是計(jì)算機(jī)的一部份，因此很容易進(jìn)行測(cè)試的設(shè)定。PC 插入卡的價(jià)格也相當(dāng)便宜，部分原因是它可以靠主機(jī)計(jì)算機(jī)來(lái)提供電源、外殼、以及使用者操作接口。

　　PC 插入卡的缺點(diǎn)是分辨率通常只有 12 位而已，因此無(wú)法察覺(jué)出輸入信號(hào)的微小變動(dòng)。此外，PC 內(nèi)的電子環(huán)境有很多噪聲，有高速的頻率和總線噪聲會(huì)到處輻射，往往這種電子干擾就是 PC 插入卡的準(zhǔn)確度比掌上型 DMM 來(lái)得低的緣故。這些插入卡也只能量測(cè)相當(dāng)有限的直流電壓范圍，若要量測(cè)其它的輸入信號(hào)，如交流電壓、溫度或電阻等，則需要外接某種的信號(hào)調(diào)節(jié)配件才行。其它的考慮還包括校準(zhǔn)問(wèn)題多以及整體的系統(tǒng)成本過(guò)高等，特別是如果您需要購(gòu)買(mǎi)額外的信號(hào)調(diào)節(jié)配件，或是一部 PC來(lái)安裝這種插入卡的話。在充分考慮這些因素之后，如果您的需求與這種插入卡的功能和限制范圍相符的話，PC 插入卡也不失為一種吸引人的資料搜集方法。

　　5.數(shù)據(jù)記錄器

　　數(shù)據(jù)記錄器通常是一種單機(jī)的儀器，一旦設(shè)定好之后，可以無(wú)須操作人員或是計(jì)算機(jī)的介入，自動(dòng)地量測(cè)、記錄和顯示數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)記錄器可以處理多種的輸入信號(hào)，有時(shí)可以擁有多達(dá) 120 個(gè)頻道。其準(zhǔn)確度足以媲美單機(jī)式的桌上型 DMM，具有 22 位的分辨率和 0.004%的準(zhǔn)確度效能。有些數(shù)據(jù)記錄器還具有調(diào)整量測(cè)結(jié)果、依據(jù)使用者自訂的限制值來(lái)檢查量測(cè)結(jié)果、以及輸出控制信號(hào)等能力。

　　使用數(shù)據(jù)記錄器的優(yōu)點(diǎn)之一是它已內(nèi)建信號(hào)調(diào)節(jié)能力，大部分都可以直接量測(cè)多種不同的輸入信號(hào)，無(wú)須另外使用信號(hào)調(diào)節(jié)配件。您可以使用其中一個(gè)頻道來(lái)監(jiān)測(cè)熱電耦，另一個(gè)頻道來(lái)監(jiān)測(cè)電阻式溫度組件(RTD)，而仍然可以使用第三個(gè)頻道來(lái)監(jiān)測(cè)電壓。一般，其多任務(wù)器模塊卡中都會(huì)內(nèi)建熱電耦參考補(bǔ)償功能，可進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度量測(cè)。

　　數(shù)據(jù)記錄器內(nèi)建的智能功能可以協(xié)助您設(shè)定測(cè)試?yán)?，并指定每個(gè)頻道的參數(shù)。一旦您完成這些設(shè)定之后，數(shù)據(jù)記錄器就可以獨(dú)立地開(kāi)始運(yùn)作，就像一部記錄器一樣。數(shù)據(jù)可以直接儲(chǔ)存在其內(nèi)部的內(nèi)存中，大約可以容納 50,000 個(gè)或更多的讀值。透過(guò)與 PC 的連接，很容易將數(shù)據(jù)傳送到您的計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行深入的分析。大部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)都是以彈性和簡(jiǎn)單設(shè)定及操作為目標(biāo)，而且很多都可以提供利用電池或其它方法進(jìn)行遠(yuǎn)地操作的選項(xiàng)。

　　視所使用的 A/D 轉(zhuǎn)換器技術(shù)而定，有些數(shù)據(jù)記錄器讀取數(shù)據(jù)的速率相對(duì)而言比較慢 (特別是與許多PC 插入卡的速度相較之下)，不過(guò)，每秒 250 個(gè)讀值的讀取速度還是相當(dāng)常見(jiàn)的。要記?。涸S多所監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象本質(zhì)上都是物理性的，如溫度、壓力和氣流等，其變化的速度相當(dāng)慢。此外，由于數(shù)據(jù)記錄器具有優(yōu)異的量測(cè)準(zhǔn)確度，因此不需要進(jìn)行多次的讀取和平均運(yùn)算，但這些在 PC 插入卡的解決方案中通常都是必要的。

　　6.資料擷取前端 (front end)

　　數(shù)據(jù)擷取前端通常是模塊式的，且一般會(huì)連接到 PC或控制器上，常在自動(dòng)化的測(cè)試應(yīng)用中使用，以擷取數(shù)據(jù)和控制及繞接信號(hào)到測(cè)試設(shè)置中的其它組件上。這種數(shù)據(jù)擷取前端可以達(dá)到非常高的效能，不論在速度或準(zhǔn)確度上都足以與最佳的單機(jī)式儀器相比擬。數(shù)據(jù)擷取前端有多種的實(shí)做方式，包括 VXI 版本，如Agilent E1419A 多功能量測(cè)與控制 VXI 模塊，以及一些專(zhuān)用的特殊卡槽箱 (card cage) 等。雖然前端的價(jià)位已持續(xù)降低當(dāng)中，但這種系統(tǒng)還是相當(dāng)昂貴，因此除非您需要這種系統(tǒng)所具備的高性能，否則其價(jià)格可能會(huì)讓您打退堂鼓。就優(yōu)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這種系統(tǒng)可以提供相當(dāng)大的彈性和極佳的量測(cè)能力。

　　數(shù)據(jù)記錄器的應(yīng)用

　　一部好的低價(jià)位數(shù)據(jù)記錄器，也就是具有適中的頻道數(shù) (20 – 60 個(gè)頻道) 以及相對(duì)低的掃描速率，對(duì)工程師常會(huì)碰到的許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)很夠用了，一些主要的應(yīng)用包括：

　　· 產(chǎn)品的特性量測(cè)

　　· 電子產(chǎn)品的熱效應(yīng)特性分析

　　· 環(huán)境測(cè)試、環(huán)境監(jiān)測(cè)

　　· 零組件特性量測(cè)

　　· 電池測(cè)試

　　· 大型家電用品 (white-goods) 測(cè)試

　　· 建筑物與計(jì)算機(jī)室監(jiān)測(cè)

　　· 生產(chǎn)制程監(jiān)測(cè)、評(píng)估與問(wèn)題排除

　　壹、數(shù)據(jù)記錄器的應(yīng)用：

　　評(píng)估原型 IC 的自動(dòng)化測(cè)試機(jī)臺(tái)

　　1. 在測(cè)試用 PC 板上有一個(gè)快速安裝座

　　2. 將 PC 板固定在加熱器/冷卻器上，以便在不同的溫度條件下測(cè)試 IC

　　3. 使用 Visual Basic、GPIB 儀器以達(dá)到完全的自動(dòng)化

　　結(jié)果：

　　· 可將評(píng)估時(shí)間縮短為一半

　　· 可得到準(zhǔn)確且一致的結(jié)果

　　· 容易編寫(xiě)成文件

　　貳、數(shù)據(jù)記錄器的應(yīng)用：

　　量測(cè)新設(shè)計(jì)之電源供應(yīng)器的特性

　　1. 檢查輸出電壓和噪聲位準(zhǔn)

　　2. 仿真負(fù)載 (使用功率電阻來(lái)進(jìn)行)，并檢查溫度上升情形和轉(zhuǎn)換效率

　　3. 量測(cè)主要零組件的絕對(duì)溫度

　　結(jié)果：

　　· 可縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間

　　· 可透過(guò)限制內(nèi)部的溫度來(lái)提高可靠度

　　可得到驗(yàn)證過(guò)的電源供應(yīng)器輸入規(guī)格

　　哪一種數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)最適合您?

　　沒(méi)有任何一種數(shù)據(jù)擷取系統(tǒng)可以完全適合所有的應(yīng)用，回答下列的問(wèn)題或許可以協(xié)助您決定哪一種最符合您的需求：

　　1. 該系統(tǒng)是否與您的應(yīng)用需求相符?

　　· 系統(tǒng)的量測(cè)分辨率、準(zhǔn)確度與噪聲效能為何?

　　· 掃描的速度有多快?

　　· 所支持的傳感器和量測(cè)功能為何?

　　· 能否透過(guò)升級(jí)或擴(kuò)充來(lái)滿足未來(lái)的需求?

　　· 可移植性如何?

　　· 能以單機(jī)儀器的方式運(yùn)作嗎?

　　2. 成本多高?

　　· 軟件是否包含在內(nèi)?或是需要另外購(gòu)買(mǎi)?

　　· 需要再外加信號(hào)調(diào)節(jié)配件嗎?

　　· 保固期有多長(zhǎng)?

　　· 校準(zhǔn)的容易度和費(fèi)用如何?

　　3. 使用的容易度如何?

　　· 規(guī)格容易了解嗎?

　　· 使用者操作界面容易使用嗎?

　　· 針對(duì)新的應(yīng)用重新配置設(shè)定的困難度有多高?

　　· 數(shù)據(jù)能否很容易地移轉(zhuǎn)到新的應(yīng)用上?

　　· 支持哪些套裝應(yīng)用軟件?

　　結(jié)論

　　數(shù)據(jù)擷取的方法有很多種，從紙、筆、加上量測(cè)設(shè)備的方法，到硬件儀器與軟件分析工具所組成的高精密系統(tǒng)皆是。使用者在選購(gòu)數(shù)據(jù)擷取設(shè)備或系統(tǒng)時(shí)，第一步要考慮的是必須先確定手邊的工作性質(zhì)以及所需的輸出形式，然后再選擇符合條件的設(shè)備類(lèi)型和規(guī)格范圍。所有買(mǎi)得到的精密設(shè)備和分析工具都是設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)助使用者了解所要監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象，因此工具不過(guò)是一種達(dá)到目的的方法而已。