圖1. SC Express數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊包含用于測(cè)量傳感器和高電壓的集成的信號(hào)調(diào)理模塊

達(dá)到更高的測(cè)量精度

許多傳感器的信號(hào)在輸出前都需要進(jìn)行調(diào)理之后才能精確數(shù)字化。信號(hào)調(diào)理的典型應(yīng)用包括放大、激勵(lì)、隔離和濾波。多年以來(lái)，工程師通過(guò)分離連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理，而后再將經(jīng)過(guò)調(diào)理以后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。技術(shù)的更新和設(shè)備的小型化使得現(xiàn)在公司能夠?qū)⑿盘?hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能集成到同一個(gè)設(shè)備中，避免使用容易導(dǎo)致出錯(cuò)的連接電纜和轉(zhuǎn)接器，就可以達(dá)到更高的測(cè)量精度。針對(duì)每種測(cè)量類(lèi)型的SC Express模塊都具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)以獲得更佳的精度，包括熱電偶測(cè)量可以具有更低的恒溫誤差、橋路測(cè)量的精度無(wú)需依賴(lài)于激勵(lì)電壓的精度。

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PXI Express 專(zhuān)用數(shù)據(jù)吞吐

SC Express模塊搭建于x1 PXI Express總線(xiàn)上，每個(gè)設(shè)備有250 MB/s的專(zhuān)用帶寬。由于PXI Express提供的額外帶寬，SC Express模塊能夠使用和多路復(fù)用設(shè)備相同的通道數(shù)和連接性進(jìn)行同步采樣。不同與以往的多路復(fù)用設(shè)備，采樣率會(huì)隨著通道數(shù)的增加而降低，現(xiàn)在，您可以使用同步采集設(shè)備在增加通道數(shù)的同時(shí)保持采樣率不變。

圖2. SC Express模塊可與PXI平臺(tái)上超過(guò)1,500種I/O設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步

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PXI平臺(tái)高級(jí)定時(shí)和同步

在過(guò)去的十多年中，PXI平臺(tái)為測(cè)量系統(tǒng)提供了高級(jí)定時(shí)和同步功能。PXI Express建立在PXI的性能之上并添加了附加的定時(shí)和同步特性，如100 MHz差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)傳輸及差分星形觸發(fā)。通過(guò)差分時(shí)鐘和同步，PXI Express系統(tǒng)對(duì)儀器時(shí)鐘的噪聲抑制能力更佳了并且能以更高的頻率進(jìn)行傳輸。SC Express系列通過(guò)PXI Express總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)單一機(jī)箱或多個(gè)機(jī)箱中模塊與模塊間的嚴(yán)格時(shí)間同步。當(dāng)需要在PXI平臺(tái)上同步超過(guò)1,500個(gè)模塊時(shí)，SC Express能夠提供高靈活性，幫助您開(kāi)發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，從而滿(mǎn)足您的應(yīng)用需求。

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通過(guò)PXI Express測(cè)量應(yīng)變片和基于橋路的傳感器

NI PXIe-4330 24位同步橋路輸入模塊針對(duì)高性能應(yīng)力、載荷、力和扭矩測(cè)量應(yīng)用提供.02%的標(biāo)準(zhǔn)精度和每通道25 kS/s的采樣率。橋路輸入模塊采用比率計(jì)的設(shè)計(jì)，即模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）參考激勵(lì)電壓，從而能達(dá)到更高精度。該方法使測(cè)量無(wú)需依賴(lài)于激勵(lì)電壓的穩(wěn)定性和精度。此外，通過(guò)使用獨(dú)特的delta-sigma ADC能同時(shí)提供卓越的AC性能和DC精度，而傳統(tǒng)的delta-sigma ADC僅僅能提供不錯(cuò)的AC規(guī)范參數(shù)。

圖3. 您可以使用帶TB-4330 前置接線(xiàn)盒的NI PXIe-4330來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓端子連接

NI PXIe-4330能執(zhí)行四分之一橋路、半橋和全橋測(cè)量并具有自動(dòng)同步特性；所包含的驅(qū)動(dòng)軟件確保了多模塊和機(jī)箱之間的嚴(yán)格時(shí)間同步，且通道間的同步偏移僅5 ppb。該設(shè)備可向每條通道提供.625至10 V的激勵(lì)，并具有遠(yuǎn)程探測(cè)功能（remote sensing）以補(bǔ)償由于連接電壓源和橋路間導(dǎo)線(xiàn)的電阻所造成的誤差。為了提高靈活性，內(nèi)置完整橋路（120 W，350 W和1 kW）和分路校準(zhǔn)（50 kW，100 kW），而這些設(shè)置對(duì)每個(gè)通道都是軟件可選的。您應(yīng)選用NI PXIe-4330和NI TB-4330前置接線(xiàn)端子來(lái)直接連接信號(hào)和傳感器。

圖4. NI PXIe-4330 具有內(nèi)置反鋸齒濾波器，可消除高頻噪聲

8通道橋路輸入模塊能在單個(gè)機(jī)箱中擴(kuò)展至136條通道的系統(tǒng)，多機(jī)箱間同步時(shí)可擴(kuò)展至數(shù)千條通道。高精度、同時(shí)開(kāi)始特性以及同步特性使NI PXIe-4330模塊成為高通道數(shù)結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)用的理想選擇，如風(fēng)洞、橋梁監(jiān)測(cè)和碰撞試驗(yàn)等。

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通過(guò)PXI Express測(cè)量熱電偶

NI PXIe-4353熱電偶模塊可在32條通道的測(cè)量中達(dá)到.30 °C標(biāo)準(zhǔn)精度和24位分辨率。NI TB-4353恒溫接線(xiàn)盒提供強(qiáng)大的冷端補(bǔ)償（CJC）能力，可達(dá)到較高的精度水平。CJC通過(guò)在冷端提供補(bǔ)償溫度并應(yīng)用適當(dāng)?shù)男拚齺?lái)改善測(cè)量精度。恒溫接線(xiàn)盒通過(guò)優(yōu)化熱傳導(dǎo)的特殊設(shè)計(jì)最小化誤差，使得內(nèi)置的CJC熱敏電阻能夠精確測(cè)量熱電偶端的溫度。TB-4353前置接線(xiàn)盒包含8個(gè)分布于接線(xiàn)盒中的CJC熱敏電阻，能夠準(zhǔn)確測(cè)量接線(xiàn)盒內(nèi)各個(gè)位置的冷端溫度。

圖5. NI PXIe-4353通過(guò)3個(gè)ADC多路復(fù)用32條熱電偶通道，8條CJC通道及兩條自動(dòng)清零通道。

為了獲得更高的性能，NI PXIe-4353在三個(gè)不同的ADC上共享輸入，支持多種定時(shí)模式（最大90 S/s/ch），能夠在速度、精度和噪聲抑制三方面之間達(dá)到性能平衡。 模塊還包含300 Vrms CAT II組隔離，使得在各類(lèi)應(yīng)用環(huán)境都能獲得高靈活性，同時(shí)能消除串?dāng)_。組隔離允許連接浮地?zé)犭娕家约斑B接相對(duì)機(jī)箱地高達(dá)300 V共模電壓的熱電偶。此外，模塊配有2個(gè)自動(dòng)清零通道，用于補(bǔ)償偏移誤差，同時(shí)也用于每條通道上的熱電偶開(kāi)路檢測(cè)電路。

32通道熱電偶模塊能在單臺(tái)機(jī)箱中擴(kuò)展成544通道系統(tǒng)，多機(jī)箱間同步時(shí)可擴(kuò)展到數(shù)千條通道。平臺(tái)的高精度和擴(kuò)展性使NI PXIe-4353非常適合精確測(cè)量應(yīng)用，無(wú)論針對(duì)單通道還是大型系統(tǒng)，如燃料電池測(cè)試、溫度實(shí)驗(yàn)箱監(jiān)控。

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通過(guò)PXI Express測(cè)量高電壓

NI PXIe-4300可以同步測(cè)量8個(gè)高達(dá)±300 V差分高電壓的模擬輸入信號(hào)。該模塊具有300 Vrms通道間CAT II隔離、3,300 Vrms通道與地之間5秒抗壓，從而保護(hù)用戶(hù)和設(shè)備免受危險(xiǎn)電壓侵害。測(cè)量類(lèi)型II專(zhuān)門(mén)用于電路與配電系統(tǒng)直接連接的測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合。該類(lèi)型是指地區(qū)級(jí)配電，如標(biāo)準(zhǔn)民用電壓輸出（美國(guó)115 V，歐洲230 V)。

NI PXIe-4300模塊每條通道都配備一個(gè)16位ADC，可以達(dá)到250 kS/s每通道的采樣率，能夠以每塊模塊4 MB/s以及單機(jī)箱68 MB/s的速率進(jìn)行傳輸。由于NI PXIe-4300采用了PXI Express技術(shù)，用戶(hù)即使同時(shí)使用數(shù)十個(gè)模塊的采集通道以最高采樣率進(jìn)行采集也不會(huì)超出總線(xiàn)傳輸帶寬限制。為了消除高頻噪聲，NI PXIe-4300還在每條通道上提供了可編程的低通濾波器（10 kHz，100 kHz，旁通)。

對(duì)于±10 V信號(hào)輸入可選用NI TB-4300連接盒；±300 V信號(hào)輸入可選用NI TB-4300B連接盒。TB-4300是嚴(yán)格的饋通接線(xiàn)盒。TB-4300B提供30:1的輸入信號(hào)衰減，附帶高電壓保護(hù)電路。比例常數(shù)保存在EEPROM中，驅(qū)動(dòng)軟件會(huì)根據(jù)選擇的范圍決定比例數(shù)值自動(dòng)應(yīng)用到信號(hào)上。TB-4300和TB-4300B都是前置的螺絲端子接線(xiàn)盒。

該8通道模擬輸入模塊能在單個(gè)機(jī)箱中擴(kuò)展至136條通道的系統(tǒng)，多機(jī)箱間同步時(shí)可擴(kuò)展至數(shù)千條通道。300 V電壓的測(cè)量能力以及具備的CAT II通道間隔離的特性使NI PXIe-4300成為自動(dòng)化測(cè)量，如燃料電池和蓄電池測(cè)試的理想選擇。

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使傳感器測(cè)量更簡(jiǎn)單

SC Express系列提供了軟硬件上的易用特性，縮短安裝和開(kāi)發(fā)時(shí)間。集成的信號(hào)調(diào)理和智能接線(xiàn)盒簡(jiǎn)化了硬件安裝；同時(shí)，新型橋路通道類(lèi)型和多設(shè)備任務(wù)等軟件特性縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

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集成信號(hào)調(diào)理

在同一設(shè)備上集成信號(hào)調(diào)理和ADC使得設(shè)備尺寸更小、測(cè)量性能更高。集成的信號(hào)調(diào)理使設(shè)備組件更少?gòu)亩?jiǎn)化了線(xiàn)纜管理和校準(zhǔn)，進(jìn)而降低了大通道數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本。

表1. 每個(gè)SC Express模塊都有專(zhuān)用的兼容接線(xiàn)盒

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智能接線(xiàn)盒

SC Express前置接線(xiàn)盒具備特定測(cè)量類(lèi)型的信號(hào)調(diào)理功能，使用螺絲端子進(jìn)行連接。每個(gè)模塊類(lèi)型都有專(zhuān)用的接線(xiàn)盒，其中NI PXIe-4300高電壓模擬輸入模塊可以使用兩個(gè)不同的接線(xiàn)盒，如表1中列舉。前置接線(xiàn)盒具有相同的外觀，因此設(shè)計(jì)了不同的防反插裝置使其僅能匹配合適的模塊。此設(shè)計(jì)避免了用戶(hù)誤將高電壓接線(xiàn)盒與低電壓傳感器模塊相連接。

圖6. SC Express前置接線(xiàn)盒設(shè)計(jì)有防反插裝置，僅匹配合適的模塊

SC Express前置接線(xiàn)盒不僅能在軟件中自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)還是可熱插拔的。這就使故障檢查更易于實(shí)施，因?yàn)橛脩?hù)能在PXI測(cè)量系統(tǒng)不斷電的情況下連接和移除接線(xiàn)盒。最后，每個(gè)接線(xiàn)盒都包含對(duì)準(zhǔn)卡槽，防止在將接插件連接到PXI Express模塊的過(guò)程中弄斷引腳。智能接線(xiàn)盒有助于縮短安裝和故障檢排時(shí)間從而提高效率。

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新型力、壓力和扭矩NI-DAQmx通道類(lèi)型

NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件包含針對(duì)橋路測(cè)量的新特性，如可以為力、壓力、和扭矩測(cè)量定制通道類(lèi)型。這就允許用戶(hù)從DAQ助手或NI-DAQmx API中選擇合適的測(cè)量類(lèi)型。測(cè)量結(jié)果的物理單位可以選擇N、lb、Pa、psi、Nm等。DAQ助手和NI-DAQmx API中的這些通道類(lèi)型包括偏移消除和分路校準(zhǔn)功能。新的通道類(lèi)型允許用戶(hù)根據(jù)傳感器制造商提供的規(guī)范參數(shù)選擇輸入斜率和截距、表格或多項(xiàng)式系數(shù)來(lái)設(shè)置單位轉(zhuǎn)換。美國(guó)國(guó)家儀器公司不斷在軟件上實(shí)現(xiàn)突破，不斷簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集和傳感器測(cè)量的編程。

圖7. NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化了針對(duì)應(yīng)力、力、壓力和扭矩測(cè)量應(yīng)用的編程

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NI-DAQmx 支持對(duì)多設(shè)備任務(wù)

美國(guó)國(guó)家儀器公司同時(shí)還增強(qiáng)了NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)性能，采用創(chuàng)新方法對(duì)單個(gè)機(jī)箱中多塊SC Express系列板卡進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)同步。您可通過(guò)一個(gè)NI-DAQmx多設(shè)備任務(wù)添加來(lái)自不同板卡的各種測(cè)量類(lèi)型的通道。您可以使用圖8中顯示的簡(jiǎn)單的NI LabVIEW代碼對(duì)18槽PXI 機(jī)箱多達(dá)544個(gè)通道進(jìn)行同步。

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圖8. 使用相同的NI-DAQmx代碼使用1至544通道進(jìn)行采集

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結(jié)論

SC Express系列產(chǎn)品擁有PXI平臺(tái)上最高性能的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)理功能。其精度和數(shù)據(jù)吞吐的提高以及最佳的同步性能，使您可以設(shè)計(jì)出靈活、高擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，涵蓋了從低通道數(shù)至高通道數(shù)的各類(lèi)應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家儀器公司的高級(jí)PXI Express技術(shù)和易用的軟件特性能幫助您縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，應(yīng)對(duì)最復(fù)雜的測(cè)量需求。