 DAQ(Data AcQuisition) の概要
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Data acquisition（DAQ）インターフェースは、デジタルおよびアナログ両方の信号情報の計測補助を行います。デジタル信号はスイッチの開閉、リレーの接続あるいはTTL互換のインターフェースといった多様な装置源から発生します。これらデジタル信号はコンピュータに接続されたDAQインターフェースを介して直接読み込み処理することができます。
アナログの信号は、圧力/位置/温度を電流/電圧の変化を電気信号に変換する変換器すなわち計測装置、センサー等から発生します。 アナログの信号は、コンピュータから直接に読んだり、処理する事はできません。 コンピュータでこの処理を行う為にはアナログの信号を、まずデジタル化しないといけません。このプロセスをアナログ/デジタル変換(A/D変換)呼びます。
また、相対する処理、即ちデジタルからアナログへの変換はD/A変換と呼ばれます。
これはデジタルデータをアナログの電圧/電流信号に変換します。
多くのDAQインターフェース製品は、A/DおよびD/A変換器の両方を備えています。
今日、これらのDAQインタフェース製品のお陰でコンピュータを用いて製造/生産工程ならびに研究室等の実験現場で様々な機器の計測およびコントロールが可能となりました。
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- デファレンシャルとシングルエンド（Differential vs. Single Ended）
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入力チャンネルの数でコンピュータにつなげることのできる装置の数が決定されます。 これらの入力チャンネルは、デファレンシャルかシングルエンドで使用する事ができます。
シングルエンドでの入力は、このAD変換器個々の入力チャンネルに加わる電圧と変換器のグランド(接地)間の電圧を計測します。 各々の入力チャンネルは異なった装置とのインターフェースとして使用できます。 計測される側の装置は、インターフェースのグランドから得られる信号を出さねばなりません。 これらの装置はしばしば浮動電流、コンデンサ結合、絶縁等の状況等の計測あるいは電池電力の元で用いられます。
デファレンシャルでの入力は、２つの入力ライン間での電圧を測ります。 これは、装置当りの２つの入力チャネルを必要としますが、シングルエンドでの入力よりも２つの重要な長所があります。
(1)デファレンシャル入力は、A/D変換器のグランドを参照することができない装置であっても測ることができます。
(2)デファレンシャル入力は、通常の雑音の除去ばかりでなく、変換器に対し、またA/D変換器への雑音を撒き散らすモーターとか、AC電力線あるいは他の電気的/機械的なものからの雑音も除去できます。
２つの入力間の違いを測ることによって、両方の入力で共通な外部の雑音を排除することができるのです。
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- A/D変換器(A/D Converter)
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A/D変換器は、アナログ入力信号をデジタルの値に変えます。変換精度は、変換の線形性と解像度に依存します。 入力アンプからの利得とオフセット誤差もまた精度に影響します。
解像度は、アナログ入力範囲を表すために使用される基準値です。 例として、14ビット変換器では214の異なる状態と入力範囲を16,384に分割する事が出来ます。 ビットがより多いと、指数的に大きな解像度を実現できます。 入力利得、あるいは増幅機能は、入力信号の最大振幅がA/D変換器の入力範囲よりも少ないとき見かけの解像度を増すことができます。
線形性は、入力範囲内にどのくらい相似的に入力信号を正確に拡張出来るかの尺度です。 デファレンシャル非線形性は、隣り合った信号レベル間の誤差です。 もしこの差が１LSBよりも大きければ、変換されたデジタルレベルの一部は使用されません。 この場合、変換器の実際の解像度は、数値化された値の幅よりも小さいからです。 非線形積分は、数値化されたレベルと、理論値レベル間の違いを算出します。 理論上の変換器は、1/2LSBの非線形積分になります。
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- 入力アンプ（Input Amplifier）
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入力アンプは、入力信号をバッファしその入力信号を増幅するために使われます。 各々の入力チャンネル対する利得は、通常できるだけA/D変換器の出力範囲で入力信号を有効に使用するようにセットされます。 利得が増加された時、 A/D変換器によって作られた拡張入力範囲は、数値化レベル精度を上げるため狭くなります。
例えば12ビットA/Dは、4の利得の入力信号を数値化することにより1の利得での14ビットA/Dと同じ解像度が得られます。 入力アンプは、数値化された波形の正確さに直接に関与するのでA/D変換器との同等性能が発揮できるものが相応しいでしょう。 従ってその利得精度は、総利得の低部位で明示されるべきです。
アンプの雑音と電圧オフセットもまた低い入力レベルで考慮されるべきです。 アンプの雑音は通常、入力信号に多大な影響を受けます。 変換器での実雑音レベルはその値を正確に表示する為に入力信号の利得により指数的に増加すべきです。 電圧のオフセット誤差も同様に入力信号とそのA/D変換器性能で決まります。 もし入力信号で決められた物であれば、利得によってオフセット誤差も増加するに違いありません。 又、それはA/D変換器で計測する時はしばしばLSBで決定されます。
TransEraのボード上で使用された入力アンプは、選択された利得にかかわらず、最大サンプリングレートにします。 どのチャンネルも、チャンネルの順番にかかわらず色々な利得も使うかもしれません。
注）TransEra社のDAQ製品は現在販売されておりません。弊社のELAN社のボードをベースにした、ハイレベル言語/ハイレベル・アプリケーション対応のPCDAQ製品のご使用をお勧めいたします。(2003.04)
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- スループット(Throughput)
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3つの要素が、A/D変換器のスループットを明確に定義します：
(1)変換時間 (2)収得時間 (3)転送時間 です。
(1)変換時間は、アナログ入力値に対応するデジタル値を生成するA/D変換器が
必要とする時間です。
(2)収得時間は、関連つけられたアナログ回路が信号を取り出すために、必要と
される時間です。
(3)転送時間は、インターフェースからコンピュータのメモリへデータを転送する
のに必要な時間です。
スループットは、上記3つの要素が一連の処理をすべて完了する為のレートです。
スループットは、しばしばDAQインターフェースを選ぶ時に最も重要な要因となります。 Nyquistの定理では、要求される入力レートの最も高い周波数より少なくとも2倍のサンプリング周波数が必要としています。 例えば、正確に１kHzの信号を測るためには、最小限のA/D変換器のスループットは 2kHzです。 このことにより、信号のエイリアス(signal aliasing)を避けます。 高い周波数サンプル計測時で、しばしば誤りのある下方の周波数のデジタル値が出現します。これがエイリアスです。
多くの変換器は、計測している信号の帯域幅の低い周波数部位の使用を制限したロー・パス・フィルター(low pass filters)の機能を持っています。 多くのアプリケーションではオーバー・サンプリングすることにより、許容レベルのエイリアスを減少させることが十分に出来ます。 サンプリング速度要求を下げた時、ロー・パス・フィルターは、計測信号より更に低い帯域幅の信号を制限するために使用することができます。このフィルターには、単純な抵抗とコンデンサーでのフィルターから高価な多数の極を持つ動的フィルターまであります。 選択基準は、入力信号の周波数分布と使われたオーバー・サンプリングの総数によります。
多くのマルチ・チャンネル・アナログ入力回路は、共用のA/D変換器を共有します。 入力回路の数をより多くするときは、チャンネル当たりのスループットはより低く変換される事になります。もし10kHzの10のチャンネルそれぞれをサンプリングしたい場合、少なくとも100kHzのスループットが可能なDAQシステムが必要となります。
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- バースト・モード・サンプリング(Burst Mode Sampling)
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データ収集が行われているの時、１つまたはそれ以上のチャンネルは、セットした時間間隔で読み込まれます。 対象のすべてのチャンネルへの読み込み動作は、スキャン(Scan)と呼ばれます。スキャンを行っている時間は、スキャン・インターバル(Scan Interval)と呼ばれて、チャンネル当りのサンプリング・レートです。このレートの表示には一般的に、分散モード・サンプリング(Distributed Mode Sampling)とバースト・モード・サンプリング(Burst Mode Sampling)の2つの方法が使われます。
旧来のDAQシステムでは、大概分散モード・サンプリング(Distributed Mode Sampling)で性能表示されています。このサンプリング方法は、チャンネルの数によってスキャン・インターバル(Scan Interval)を分割します。 その時間は、変換の間の時間として使われます。 またスキャン中にチャンネル切り替えで生ずるスキュー(歪み)で重大な問題が発生します。 スキュー(歪み)はデータ精度の判断を難しくするとともに一時的な待ち時間によって入力信号の同時サンプル、保持そして増幅の一連処理の性能を損ないます。
バースト・モード・サンプリング(Burst Mode Sampling)[擬似的同時サンプリング(pseudo-simultaneous sampling)として参照されます]は、可能な限り最も速いレートでスキャン行っているチャンネルを介して順に行います。 これは、チャンネル切り替え間でのタイミング歪(timing skew)を最小限にします。そしていくつかのアプリケーションにおいては入力データがあたかもすべてのチャンネルで同時にサンプルされたかのように扱われます。 総合的なサンプリングレートは、スキャン時間間隔によってコントロールされます。 この方法は、同時サンプル、保持そして増幅処理を最小限の時間で可能にします。
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- ハードウェア・トリガー(Hardware Triggering)
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ハードウェア・トリガーを用いると、外部のイベントでデータ収集をコントロールすることが出来ます。ある事例では必要とされる範囲のみのデータ収集によって総データ量を減少させます。 他の場面では、データ収集のコントロールによって関心のあるデータのみ収集することが出来ます。 トリガーの前・後でデータを保存することで自由度の高いトリガー動作を可能にしています。 有用なトリガーの種類としては、アナログの電圧、デジタル・パターンであり、TTL信号も使用されます。
アナログ電圧トリガーは、アナログ電圧の変化でトリガーを引き起こします。これは、温度、圧力また歪といった物理的な変化でトリガーが引き起こされます。 アナログ電圧トリガーはどこのチャンネルの如何なる入力信号利得でも使用できます。そして、基準電圧より上回わったり、下回ったり、2つの基準値の基準電圧間、電圧の上がり、下りな等、いくつかの異なる電圧の変化をトリガー条件として選択利用出来ます。
デジタル・パターン・トリガー(digital pattern trigger)は、保存されている電圧変化パターンと、デジタル・入力ポートのビット・パターンが合ったときにトリガーとして有効になります。これはある特定のコントローラーの状態、あるいは組みあわされたデジタル入力信号パターンによってデータ収集のコントロールが可能となります。
TTLトリガーは、鋭敏なエッジ波形を持ったTTL互換の入力信号です。リレーを閉じたり、またボタンを押してトリガーにする事が出来ます。しばしばエッジ立ち上がりの遅い入力トリガー信号が、複数のトリガーを発生させます。これを防止するために入力信号は、ヒステリシス特性で補正されます。
すべてのトリガー種は、サンプリング・レートまたはデータ転送方式にかかわらず作動するTransEra社のボードで提供されます。モデル420と430のボードは、上記で述べられた全てのトリガー種をサポートします。
(注)TransEra社から現在、モデル420と430のボード製品の供給はありません。
弊社では、現在PCDAQ製品として販売、サポートを行っております。
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- アナログ出力(Analog Outputs)
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アナログ出力機能は、DC電圧レベルまたは任意の波形を出すインターフェースを使用して実現できます。出力電位は、D/A変換器によって設定されます。 2つの極(Bipolar)を持つD/A変換器は、参照電圧である電圧を出力します。1つの極(Uni-polar)を持つD/A変換器は、0vから参照電圧までの範囲の電圧を出力します。どちらにしてみても、D/A変換器は、デジタルデータがあらわす値から参照電圧を用いて電圧を出力します。
D/A変換器の主要な性能仕様は、時間設定、線形性と参照電圧です。時間設定は、出力要求変化を受け取ってから、見込んだ正確さに出力値が達するまでのD/A変換器が必要とする時間です。D/A変換器は新らしいデータ値を受けるや否や変化をはじめます。その出力は決められた時間（時間設定）まで実際のレベルに到達することは保証されません。
この時間設定の最も悪い例として:全範囲の出力変化がより少ない時間で落ち着いてもその時間より更に小さい時間設定がなされた場合です。 D/A変換器の線形性はA/D変換器が入力信号で行ったと同様に、D/A変換器が参照電圧を滑らかな電位で正確に分周出来る能力が参照されます。参照電圧には出力可能な電圧の幅が設定されています。
ひとつのデジタル出力レベルは、直流の出力電圧を出力します。 出力波形を作り出すためにD/A変換器のDC出力は固定した周波数で修正されます。これは、レベルごとのステップの出力波形を作り出します。 必要であればこのステップ波形は、ロー・パス・フィルターで滑らかにすることができます。 正確な波形を作り出すためにD/A変換器は、リアルタイムでこの波形を更新しなければなりません。 このためにD/A変換をリアルタイムに更新するためのタイミング信号が要求されます。 そしてD/A変換器が更新の準備ができたデータを確実に保持出来るデータ転送方式が要求されます。
D/A変換をサポートするTransEra社が販売していたボードは、 data-not-readyギャップがない、最大の転送レートで出力電圧を更新できる内部機能といくつかの外部からのタイミング信号が使用できます。
(注)TransEra社から現在、DAQボード製品の供給はありません。
弊社では、現在PCDAQ製品として販売、サポートを行っております。
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- データ転送方法(Data Transfer Methods)
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PCでのデータ転送は通常、Poll(ポール)、割り込みそしてくDMAでも転送が行われます。
Poll(ポール)モードは、非常にシンプルなハードウエアボードの使用時、あるいはコンピュータがいかなる割り込みもしない時とか、DMAが使える場合に使用されます。 Poll(ポール)モードでは、プログラムからA/D変換器とかD/A変換器が使用可能状態にあるボードにポール（問い合わせ）を行います。そして双方の転送可能で一度にひとつの値が転送されます。
このモードでは多大なコンピュータ時間を費やし、そしてソフトはDAQカードに若干の例外チェックをします。
またこのモードではボードが実在の先入れ先出し(FIFO)機能を有してるか、あるいは、データ転送速度がとても遅いことがない限り、データはいくつかの値を落とさずにで転送ができません。 Poll(ポール)モードの一時停止という避けられないシステムの割り込みにより、これらの値が消失します。
割り込みモード(interrupt mode)は、カードへのポーリングのオーバーヘッドを取り去り、そしてデータ収集プロセスを実行している間、他の処理を行うことをコンピュータに許可する方法です。 データの値を得られるようになると、割り込みは、データを転送するために、コンピュータに通知します。 Poll(ポール)モードでのデータ消失は、先入れ先出し(FIFO)なしでシステム割り込みが発生した時に起こります。
DMA(Direct Memory Access:直接メモリ・アクセス)モードのデータ転送は、DAQカードはコンピュータの介在なしでコンピュータのメモリーから計測装置、あるいはメモリーへ直接行われます。 このモードは、DMAバッファのサイズが唯一の制限になりますが最も高いスループットを提供します。 システム割り込みに影響されないので、この転送モードは、データ消失がないことを保証します。 長いDMA転送に対しては、ボードがデュアルモードのDMA機能を有するか実在するFIFOを持たない限り、DMAコントローラーが再構成の処理を実行している間に転送データを消失してしまいます。
専用の大きなFIFOを使用しているため、TransEra社のDAQボードは、データを失わないで指定されたデータ転送速度を維持することができます。
(注)TransEra社から現在、DAQボード製品の供給はありません。
弊社では、現在PCDAQ製品として販売、サポートを行っております。
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- アナログ・キャリブレーション(Analog Calibration)
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A/D変換器、入力アンプ、D/A変換器の正確さを維持するために、定期的なキャリブレーションを必要とします。 これは、変換器の計測範囲内でのキーポイントをリセットしたり、それぞれの機器特性を変えたりドリフトを抑えるにアナログ回路で偏りを補正します。
旧来より、電位計は、キャリブレーション調整用に使用されて、そして広く使われ続けます。 これは、キャリブレーションのために必要なものですが、振動に過敏で、そして実際のキャリブレーションではインターフェースの側へのアクセスが必要となります。
手間のかからないよりよい方法は、電子的キャリブレーションを行ったアナログ部品で構成されたインタフェースのDAQを使用することです。 キャリブレーション値は保存され、ボードに触れて入力信号利得調整をすることなくその値を変更できます。 DAQを使用したキャリブレーションは振動に影響されず、偶然に変更されることもありません。
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- デジタルI/O（Digital I/O)
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DAQインターフェースのデジタル入力/出力部分は、コンピュータによって読み込み書き込み可能な双方向TTLレベルでのコントロール/ステータス・ポートを提供します。 これらは計測装置をコントロールし、あるいはスイッチまたは接点閉塞を監視するために使うことができます。ハンドシェイクは周辺機器とのコミュニケーションを行うために利用されます。
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- カウンター/タイマー(Counter/Timers)
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正確に定義された時間間隔で多数の変換を実行するために、DAQボードは、カウンターとタイマーを備えています。 カウンター/タイマーはA/DおよびD/Aデータ変換の両方をコントロールするために使用されます。 カウンター/タイマーは、インターフェースまたはある外部ソースによって提供された正確な固定周波数発信器発信により働きます。このクロック周波数は、利用できる設定精度で決定されます。 より高い周波数はよりよい精度を用います。
いくつかのボードは、ユーザーにカウンター/タイマー・チャネルを提供します。 これらは非常に自由度が高く、何十もの構成で使うことができます。 いくつかのアプリケーションは、外部のクロック生成と、パルスの幅及び周波数測定と、そして複雑な外部トリガー用のタイミン機能を実現します。 カウンター/タイマーは単独での使用か外部のまたは内部のクロック発振を使った他のカウンタ-とのコンビネーションで使用することができます。
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- サマリー(Summary)
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DAQインターフェースは、PCを使うことによって広い範囲の測定と制御を行う事ができます。 この組み合わせにより、製品添付の使いやすいドライバー/ユーティリティで多くのアプリケーションでのテストが実行でき、費用対効果のある解決方法としてご提供いたします。
PCでのDAQの扱いは、HTBasic/Microsoft VC++/HP-VEE/LabView等でDAQカードを使用可能とするPCDAQ製品をご使用ください。
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