Датчики испытывают на себе влияние некого физического явления и генерируют электрические сигналы, измеряемые системой сбора данных. Например, термопары, терморезисторы, термисторы и датчики на интегральных микросхемах преобразуют температуру в аналоговый сигнал, который может быть измерен с помощью АЦП. Также можно привести в качестве примера датчики деформаций, датчики потока и датчики давления, которые измеряют силы, скорость потока и давление соответственно. В каждом случае генерируемый электрический сигнал пропорционален измеряемой физической величине.

Уровень электрического сигнала, создаваемый датчиками должен быть приведён к входному диапазону прибора сбора данных. Модули согласования сигнала усиливают сигналы низкого уровня, а затем изолируют и фильтруют их для более точных измерений. Кроме того, для генерации сигнала на некоторых датчиках используется питание по току или напряжению. На рисунке 9 показана типичная система сбора данных вместе с модулями согласования сигнала SCXI компании National Instruments.

Рисунок 9 – Система SCXI предварительного согласования сигнала для встраиваемых устройств сбора данных

Модули согласования сигналов могут быть использованы в различных важных задачах.

Усиление – наиболее распространённый тип согласования сигналов. Например, для увеличения разрешения и уменьшения шума слабые сигналы от термопары следует усиливать. Для достижения наибольшей точности максимальный диапазон напряжения в усиленном сигнале должен равняться максимальному входному диапазону АЦП. Предположим, система SCXI состоит из нескольких модулей согласования сигнала, которые усиливают слабые входные сигналы. Сама система находится около датчиков и посылает в ПК только усиленные сигналы, таким образом, уменьшая шум при измерениях.

Изоляция– ещё один распространённый тип согласования. Электрическая изоляция сигнала датчика от компьютера необходима по соображениям безопасности. В системе, в которой проводятся измерения, могут проходить высоковольтные переходные процессы, потенциально опасные для компьютера без модулей согласования. Дополнительная причина, по которой стоит применять развязку сигналов, кроется в разности потенциалов «земли» и синфазных напряжений. Когда вход устройства СД и измеряемый сигнал измеряются относительно потенциала «земли», то при различии потенциалов этих двух «земель» будут возникать проблемы. Эта приведёт к эффекту паразитного контура с замыканием через землю, который может являться причиной некорректных измерений или даже поломки измерительной системы, если разница потенциалов слишком велика. Использование модулей согласования с развязкой сигнала устраняет контуры заземления и обеспечивает корректное измерение сигнала. Например, модуль SCXI-1125 обеспечивает изоляцию вплоть до 300 В среднеквадратического синфазного напряжения, а цифровой мультиметр NI-DMM поддерживает изоляцию до 300 В постоянного тока и среднеквадратического напряжения.

Фильтрация – смысл этой операции заключается в удалении ненужных составляющих из измеряемого сигнала. Шумовой фильтр используется для квазипостоянных сигналов, таких как температура, для устранения высокочастотных составляющих, которые уменьшают точность измерений. К примеру, для устранения шума перед оцифровкой сигнала устройством СД многие модули SCXI имеют фильтры низких частот на 4 Гц и 10 КГц. Для переменных сигналов, таких как вибрации, следует применять другой тип фильтров, а именно антиалиазинговые фильтры (фильтр защиты от наложения спектров). Подобно шумовым фильтрам, антиалиазинговые фильтры является фильтрами низких частот, однако они обладают очень резкими границами в спектральном представлении, что позволяет полностью убрать все частоты в сигнале, которые больше входной полосы частот прибора. Если эти составляющие не удалять, то они дадут ложный сигнал в полосе пропускания прибора. Предназначенные специально для измерения переменных сигналов приборы NI 455x, NI 445x, приборы регистрации динамических сигналов NI 447x, а также многофункциональные устройства ввода/вывода с одновременной оцифровкой сигнала NI 61xx и модуль SCXI-1141 имеют встроенные антиалиазинговые фильтры.

Питание – модули согласования также обеспечивают питание для некоторых типов датчиков, таких как датчики деформаций, термисторы и терморезисторы. При измерениях с помощью терморезисторов, как правило, необходим источник тока, который преобразует изменения сопротивления в измеряемое напряжение. Датчики деформации имеют очень маленькое сопротивление и обычно используются в конфигурации моста Уитстона и в сочетании с источником напряжения для питания. Модули SCXI-1121 и SCXI-1122 имеют встроенные источники, настраиваемые на питание по току или напряжению, которые можно использовать для датчиков деформации, термисторов или терморезисторов.

Линеаризация– ещё один способ согласования сигнала. Многие датчики, такие как термопары, имеют нелинейный отклик на изменения измеряемой физической величины. Программные продукты компании National Instruments NI-DAQ, LabVIEW и Measurement Studio которые содержат стандартные процедуры для линеаризации термопар, датчиков деформации и терморезисторов. Следует чётко понимать природу измеряемого сигнала, конфигурацию, в которой производятся измерения и воздействие, которое может оказывать окружающая среда. Основываясь на этой информации, можно определить, нужно ли использовать модули согласования сигнала в данной системе сбора данных или нет.