外文翻译---数据采集：简介

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附录A英文文献原文DataAcquisition:AnIntroductionBruxtonCorporationThisisaninformalintroductiondigitaldataacquisitionhardware.ItisprimarilydirectedtowardsassistingintheselectionofappropriatehardwareforrecordingwiththeAcquireprogram.OverviewInprinciple,dataacquisitionhardwareisquitesimple.AnA/Dconverterdeliversasequenceofvaluesrepresentingananalogsignaltoanacquisitionprogram.Inpractice,selectingandproperlyusingdataacquisitionhardwareismorecomplex.Thisdocumentprovidesaninformalintroductiontothetopic..Manyoftheexamplesaretakenfrompatch-clamprecording.Thistechniquerequiresaccurateacquisitionoflow-levelsignals(picoamperes)withbandwidthintheaudiorange(upto10kHz).BackgroundAdataacquisitionsystemconvertsasignalderivedfromasensorintoasequenceofdigitalvalues.Thesensorisconnectedtoanamplifier,whichconvertsthesignalintoapotential.Theamplifierisinturnconnectedtoadigitizer,whichcontainsanA/Dconverter.Thedigitizerproducesasequenceofvaluesrepresentingthesignal.SignalSourceThesourceofmostsignalstobedigitizedisasensor,connectedtoanamplifierwithappropriatesignalconditioning.Theamplifierdeliversanelectricalsignal.ThissignalisthendigitizedusinganA/Dconverter.Forpatch-clamprecording,thesensorsaresolutionfilledpipettes.Thepipetteisconnectedtoapatch-clampamplifierthatconvertsthevoltageatthepipetteorthecurrentthroughthepipettetoahigh-levelsignal.Byconvention,thefull-scaleoutputrangeofapatch-clampamplifieris±10V,matchingtherangeofcommoninstrumentationqualitydigitizers.DigitizerAdigitizerconvertsoneormorechannelsofanalogsignaltoasequenceofcorrespondingdigitalvalues.TheheartofadigitizerisanA/Dconverter,adevicethatsamplesananalogsignalandconvertsthesampletoadigitalvalue. Forexample,forrecordingfromasingleionchannel,thedigitizermightdeterminetheoutputofthepatchclampamplifieronceevery50msandprovidetheresultingvaluetothecomputer.SamplingTheoremThepurposeofdataacquisitionistoanalyzeananalogsignalindigitalform.Forthistobepossible,thesequenceofvaluesproducedbyadigitizermustrepresenttheoriginalanalogsignal.Thesamplingtheoremstatesthatthisisthecase.Thesamplingtheoremstatesthatananalogsignalcanbereconstructedfromasequenceofsamplestakenatauniforminterval,aslongasthesamplingfrequencyisnolessthandoublethesignalbandwidth.Forexample,assumeasignalcontainsfrequenciesfromDC(0Hz)to10kHz.Thissignalmustbesampledatarateofatleast20kHztobereconstructedproperly.Asapracticalmatter,thesamplingrateshouldbeseveraltimestheminimumsamplingrateforthehighestfrequencyofinterest.Forexample,toresolvea10kHzsignal,aminimumsamplingrateof20kHzisrequired,butasamplingrateof50kHzormoreshouldbeusedinpractice.ControlMostofthisdiscussionisaboutdigitizinganalogsignalsforacomputer.Inmanycases,acomputeralsoproducesanalogcontrolsignals.Forexample,inpatch-clampexperimentsinvolvingvoltage-gatedionchannels,thecomputerisfrequentlyusedtoproduceanelectricalstimulustoactivatethechannels.ThesecontrolsignalsareproducedusingaD/A(digitaltoanalog)converter.FromSensorstoSignalsManysignalsourcesconsistofasensorandanamplifier.Theamplifierconvertstheoutputofthesensorintothesignaltobedigitized.PreamplifierManyinstrumentationsystemsarebuiltwithapreamplifierlocatedasclosetothesensoraspossible.Aseparateamplifierconvertsthepreamplifieroutputtoahigh-levelsignal.Placingthepreamplifierclosetothesensorreducesnoise,byallowingthesignaltobeamplifiedbeforebeingsentoveracable.Sincephysicalspacenearthesensorislimited,thepreamplifierisassmallaspossible,withthebulkoftheelectronicsbeinglocatedintheamplifier.Forexample,inapatchclampsetup,thesensorisasolution-filledpipette,thepreamplifieristheheadstage,andtheamplifieristhepatch-clampamplifieritself.SignalConditioningManysensorsdeliversignalsthatmustbetransformedbeforetheycanbedigitized.Forexample,amicroelectrodepipettemaybeusedtomeasurecurrent,whilethedigitizermeasurespotential(voltage).Thepatchclampamplifierprovidesacurrent-to-voltageamplification,usuallymeasuredinmVofoutputperpAofinput.Thistransformationofthesensorsignaliscalledsignal conditioning.Signalconditioningmaybemorecomplex.Aninputsignalfromanon-linearsensormaybeconvertedtoavoltagethatislinearinthequantitybeingmeasured,compensationmaybemadeforsecond-ordereffectssuchastemperature,oranindirecteffectsuchasafrequencyshiftmaybeconvertedtoavoltage.IntegratedDigitizerAsthecostofA/Dconvertersdeclines,thedigitizingfunctioncanbemovedintotheamplifier.Forexample,theHEKAelektronikEPC-9patch-clampamplifiercontainsabuiltindigitizingunit(anInstrutechITC-16).Integratingadigitizerintoanamplifiercansubstantiallyreducetotalnoiseinthedigitizedsignal,sincetheanalogsignalisnotcarriedoveracablefromtheamplifiertoanexternaldigitizer.Becarefulofinstrumentspecificationswhencomparingananalogamplifiertoonewithabuilt-indigitizer.Includingthedigitalelectronicsintheamplifierhousingmayincreasenoise,andthedigitizeritselfmayaddnoisetothesignal.However,thetotalnoiseinthedigitizedsignalmaybemuchlessthanifanexternaldigitizerisused.Compareanamplifierwithanintegrateddigitizertothecombinationofananalogamplifierandanexternaldigitizer.Amajoradvantageofintegratingadigitizerintoanamplifieristhattheamplifierdesignercaneasilyincludefeaturesforcomputercontrol.Adataacquisitionprogramconnectedtosuchanamplifiercanthenofferanintegrateduserinterface,simplifyingoperation.Inaddition,theacquisitionprogramcanrecordallamplifiersettings,simplifyingdataanalysis.FromSignalstoSamplesAdigitizerconsistsofanA/D(analogtodigital)converterthatsamplesananaloginputsignalandconvertsittoasequenceofdigitalvalues.AliasingThesamplingtheoremstatesthat,inordertobeabletoreconstructasignal,thesamplingratemustbeatleasttwicethesignalbandwidth.Whathappensifasignalcontainscomponentsatafrequencyhigherthanhalfthesamplingfrequency?Thefrequencycomponentsabovehalfthesamplingrateappearatalowerfrequencyinthesampleddata.Theapparentfrequencyofasampledsignalistheactualfrequencymodulohalfofthesamplingrate.Forexample,ifa26kHzsignalissampledat50kHz,itappearstobea1kHzsignalinthesampleddata.Thiseffectiscalledaliasing.Anti-AliasingFilterIfasignaltobedigitizedhascomponentsatfrequenciesgreaterthanthehalfthesamplingfrequency,anantialiasingfilterisrequiredtoreducethesignalbandwidth.Theanti-aliasingfiltermustcutoffsignalcomponentsaboveonehalfthesamplingrate.Mostsignalsourcesareinherentlyband-limited,soinpractice,anti-aliasingfiltersareoftennotrequired.However,somesignalsourcesproducebroadbandnoisethatmustberemovedbyananti-aliasingfilter.Forexample,patch-clampamplifiershavebuilt-inantialiasingfilters.Thepipetteusedforpatch-clamprecordinginherentlyfilterssignalsabovealowfrequencyintherangeof1kHz.Thegoodhighfrequencyresponseofapatchclampamplifierisachievedonlybyboostingthehighfrequencycomponentofthesignaltocompensateforthefrequencyresponseofthepipette.Thiscanproducesignificanthigh-frequencynoise.Apatch-clampamplifierprovidesafiltertoeliminatethisnoise. IntegratingConvertersThediscussionofaliasingassumesinstantaneoussampling.TheoutputvalueproducedbytheA/Disrepresentstheinstantaneousanalogsignalamplitude.SuchsamplingA/Dconvertersarethemostcommonforuseininstrumentation.SomeA/Dconvertersemployanintegratingconversiontechnique.Theoutputvalueproducedbysuchadigitizerrepresentstheintegraloftheanalogsignalamplitudeoverthesamplinginterval.Suchconverterseliminatealiasing.Theycanbeviewedascontainingabuilt-inanti-aliasingfilter.Integratingconvertersarerarelyusedinhigh-speedcontrolapplications.Themostcommontechniquesforimplementinghigh-speedintegratingconvertersresultinadelayofmanysampleintervalsbetweenananalogsampleandthecorrespondingdigitizeroutputvalue.Thisdelaycanintroduceconsiderablephaseshiftathighfrequenciesinclosed-loopresponseifthedigitizerisusedinacontrolsystem.ResolutionTypicallyadigitizerprovidesthecomputerwithfixedlengthbinarynumbers.Forexample,theAxonInstrumentsDigidata1200Aproduces12-bitnumbers,whiletheInstrutechCorporationITC-16produces16-bitnumbers.Thelengthofeachvalueiscalledtheresolutionofthedevice,measuredinbits.Theresolutioncanbetranslatedtoanabsoluteinputlevel.Mostdigitizersmeasureswingsofuptoapproximately10Vfromzero,foratotalrangeof20V.A12-bitvaluehasaresolutionof1partin4096,sotheresolutionofa12-bitdigitizeris20Vdividedby4096,orapproximately5mV.Thisisexpressedbysayingthatachangeofonecount(oroneleastsignificantbit,orLSB)represents5mV.Sinceanaloginstrumentsrarelyhaveanaccuracysignificantlyexceeding0.1%,itmightseemthat10or11bitresolutionwouldbesufficientinadigitizer.However,additionalbitsofresolutionareneededbecausetheinputsignalfrequentlydoesnotusetheentireinputrange.Forexample,eveniftheinstrumentationamplifiergainhasbeenadjustedtoyieldaninputsignalwitha20Vrange,smallcomponentsofthesignalwitha2Vrangemightalsobeofinterest.0.1%resolutionofa2Vsignalwithina20Vrangerequiresatleast13bitsofresolution.AccuracySeveralspecificationsareusedtoexpresstheaccuracyofadigitizer.Theabsoluteaccuracyexpresseshowpreciselythedigitalvaluesproducedrepresenttheanaloginputs.Forexample,adigitizermighthaveanabsoluteaccuracyof1partin4096.Thiscanalsobeexpressedbysayingthatthedigitizerhas12bitabsoluteaccuracy.Therelativeaccuracyexpresseshowpreciselythedigitizermeasuresthedifferencebetweentwoanaloginputvalues.Thisisfrequentlyofgreaterinterestthantheabsoluteaccuracy. Thenoisespecificationexpresseshowmuchthedigitizeroutputwillvarywithnochangeintheanaloginput.Thisisfrequentlyexpressedasanumberofbits.Forexample,a16-bitdigitizerwithtwobitsofnoisewillproduceeffectivelythesameresultsasa14-bitdigitizer.Theaccuracyofadigitizervariesstronglywithitsmaximumsamplingrate.Themoreaccuratethedigitizer,thesloweritis.Becarefulwhenreadingdigitizerspecifications.Insomecases,manufacturerspublishspecificationsoftheA/Dconverterusedinadigitizerasthespecificationsfortheentiredigitizer.However,theaccuracyofthedigitizermaybesignificantlyless.Thedigitizermayincludenecessarycomponentssuchasamplifiersandvoltagereferencesthatdegradetheaccuracy.Inaddition,theA/Dspecificationsapplyonlyunderspecificconditionsdescribedintheconverterdatasheet.Inthedigitizer,thoseconditionsmaynotapply.FromSamplestoComputerOncedatahasbeendigitized,itmustbetransferredtoacomputer.Usuallyadigitizerisbuiltasacomputerpluginboard,sotransferstakeplaceoverthecomputerbus.Digitizersusedforhigh-speedmeasurementcanfeeddatatothecomputeratahighandconstantrate.Forexample,adigitizerrunningononechannelat100ksamples/secondwilltypicallyproduce200kbytes/secondofdatacontinuously.Thisisalargestreamofdata.Thecontinuousnatureofmuchdataacquisitionrequiressomekindofbuffering.Forexample,ifthecomputerstopsfor30mstowritedatatodiskortoupdateadisplay,6000bytesofdatawillaccumulate.Thedatamustbestoredsomewhere,oritwillbelost.DataTransfer:DMATheAxonInstrumentsDigidata1200usesDMA(directmemoryaccess)totransferdatatothememoryofthehostcomputer.DMAtransfersproceedregardlessoftheactivityinthehost.DMAtransfersencounterproblemsonduringcontinuousacquisition.TheproblemisthattheDMAcontrollerusedonPCmotherboardsisonlycapableoftransferringdatatoacontiguousblockofmemory.However,MicrosoftWindows95andWindowsNTuseallocatememoryin4Kbytepages.Adataacquisitionprogrammighthavealargebuffer,butthebufferwillbescattered4Kbytepagesinphysicalmemory.TheDMAcontrollercantransfertoonlyonepageatatime.Whendonewithapage,itinterruptsthehostcomputer.ThedevicedriverforthedigitizermustthenreloadtheDMAcontrollerforthenextpage.Normallytheseperiodicinterruptsarenotaproblem.Forexample,evenatthefull330kHzrateoftheDigidata1200,a4Kpageisfilledonlyevery6ms.Theinterrupthandlinginthedrivermighttake50usonafastprocessor.Lessthan1%ofthetimeoftheprocessoristakenservicinginterrupts.However,aproblemoccursundermultitaskingoperatingsystemssuchasMicrosoftWindowsNT,becausemanyotheractivitiescantakeplacesimultaneously.Ifanotherdevicedriverisperformingprocessingandhaslockedoutinterruptstemporarily,thedigitizerdevicedrivermayhavetowaittoservicetheDMAcontroller.Todealwiththisproblem,AxonInstrumentshasincreasedthebuffermemoryinthe Digidatafrom2KsamplesintheDigidata1200to8Ksamplesinthe1200Aand1200B.Thisincreaseallowstheunittobufferdataforupto24msevenat330kHz,avoidingproblems.DataTransfer:BuffersTheInstrutechCorporationITC-16andITC-18donotuseDMA.Instead,theyusealargebuffertoholddatauntilitcanbeprocessedbythehostcomputer.ThedataisthentransferredtothehostcomputerbyprogrammedI/O.Thatis,thedevicedriverperformsthetransfer.Oncurrentcomputers,programmedI/OisaboutasefficientasDMA.Thesecomputersaregenerallylimitedinperformancebythememorysystem.Therefore,eventhroughaDMAtransferoccurswithouttheinterventionofthehostcomputer,thetransfertiesupthememory,whicheffectivelystallstheprocessor.TheInstrutechdigitizersdonotprovideinterruptstothehostcomputer.Instead,hostcomputerperiodicallypollsthedevicetoobtaindata.Thispollingisperformedperiodicallybytheapplicationprogram(i.e.HEKAPulseorBruxtonCorporationAcquire.Sincethepollingmaybeinfrequent,thedigitizerneedsalargebuffer.Forexample,ifaprogramcanpollthedigitizeronlyonceevery100ms,thedigitizermusthavea20000samplememorytooperateat200kHz.TheInstrutechITC-16hasa16ksampleFIFO.TheInstrutechITC-18isavailablewitheithera256ksampleFIFOora1MsampleFIFO.DataTransfer:PCIBusMasteringSomePCIbusdataacquisitionboardscanwritedatadirectlyintothememoryofthehostcomputerusingbusmastering.BusmasterdatatransfersdonotusethemotherboardDMAcontroller,andthereforecanpotentiallysupportwritingdirectlytoabuffercomposedofdiscontiguous4Kpages.Inthefuture,busmasterdesignsarelikelytobecomepopular.ThosefamiliarwithcomputersystemdesignwillnoticethatthePCIbusmastertransfersareinfactdirectmemoryaccess(DMA)transfers.OnPCsystems,forhistoricalreasons,thetermDMAreferstotheuseoftheDMAcontrollerbuiltintothemotherboard.DataTransfer:OutputThediscussionsofarhasconcentratedondatatransferforacquireddata.Ifthedigitizerisusedforsynchronousstimulationorcontrol,thesamedatatransferproblemoccursasforacquiringdata.Infact,thetotaldataratedoubles.Consider,forexample,astimulus/responsemeasurementononechannelwitha100kHzsamplingrate.Acquireddataisreceivedbythecomputerat100kHz.Simultaneously,thestimuluswaveformmustbedeliveredbythecomputertothedigitizerat100kHz.Thefulldatarate200kHz.TheAxonInstrumentsandInstrutechdigitizershavesymmetrichandlingofinputsandoutputs.Theoutputbuffersarethesamesizeastheinputbuffers,andthesamedatatransfertechniqueisused.MeasurementAccuracyThefollowingsectionsdiscusstheissuesthatinfluencetheaccuracyofdynamicmeasurements.CrosstalkMostdigitizersrecordfrommultipleanaloginputchannels,with8or16inputchannelsbeingcommonlysupported.Animportantspecificationisthecrosstalkbetweeninputchannels,thatis,theamountofinputsignalfromonechannelthatappearsonanotherchannel.Crosstalkisaproblembecausemanydigitizersuseasingleanalogtodigitalconverter,andaswitchcalledamultiplexertoselectbetweeninput channels.Themultiplexeritselfisasourceofcrosstalk.Evenwhenaswitchisopen,capacitivecouplingbetweentheinputoftheswitchandtheoutputofthemultiplexerproducesafrequency-dependentcrosstalk.High-frequencyinputsignalsarecoupledtothemultiplexeroutputevenwhentheyarenotselected.Tomeasuresuchcrosstalk,groundananaloginputandsamplefromit.Meanwhile,connectahigh-frequencysignaltootherinputchannels.Noticetheamplitudeofthehigh-frequencysignalthatappearsonthegroundedinput.Thisisthecrosstalk.Varytheinputfrequencyandnoticethechangeintheamountofcrosstalk.Crosstalkmaynotbesignificantwhenadigitizerisusedforpatch-clampdataacquisition.Typicallyoneanaloginputisusedfortheionchannelsignal,whileotheranaloginputsareusedtomeasureverylow-frequencysignals.Thelow-frequencysignalsdonotcouplesignificantlytotheionchannelsignal.Theionchannelsignaldoescoupleintothelow-frequencychannels,butthiscangenerallybeeliminatedbyaveragingmanyinputsamplesonthosechannels.Ifyoumeasureonseveralchannelscontaininghighfrequencydata,characterizethecrosstalkofyourdataacquisitionsystembeforeyoudoso.Otherwiseyoumayfindyourselfmeasuringcorrelationsininputdataduetoyourdigitizerinsteadofthesystembeingmeasured.Thisproblemwillbecomelesssignificantwithtime,asthecostofA/Dconvertersdrops.DigitizermanufacturerscanaffordtoplaceoneA/Dconverterforeachinputchannel,avoidingtheuseofamultiplexer.SettlingTimeThesettlingtimeoftheA/Dconverterinputmaylimittherateofmulti-channelsampling.TheinputamplifiersonmanyA/Dconverterscannotfollowveryhighfrequencyinputsignals.Whenthemultiplexerswitcheschannels,thisappearsasasuddenjumpinsignalleveltotheinputoftheA/Dconverter.Atlowsamplingrates,theA/Dinputwillhaveconsiderabletimetosettlebeforeconvertingthenextsample.Athighsamplingrates,theinputmaynothavetimetosettle,andtheinputsignalononechannelaffectsthevaluemeasuredonthenext.Toseethiseffect,groundallinputsofadigitizerexceptone.ConnectthisinputtoavariableDClevel.Sampleatahighrateonmultiplechannels.Noticeifchangingtheinputlevelononechannelcausesthevaluemeasuredononeofthegroundedchannelstochange.Frequently,digitizersachievefullbandwidthonlywhenthemultiplexerisnotbeingused,andthedigitizerissamplingfromonlyasingleinputchannel.TheAxonInstrumentsDigidata1200A/BandtheInstrutechCorporationITC-16bothuseasingleA/Dconverterandamultiplexer.TheInstrutechCorporationITC-18usesaseparateA/Dconverterperinputchannel.Whilethisraisesthecostofthedevice,itessentiallyeliminatescrosstalk.GroundingThedigitizeriselectricallypartofyourinstrumentationsystem.Thiscancauseproblemsifyoudonotconsiderthedigitizerwhenplanningthegroundingofyourinstrumentation.Ifyourdigitizerisusedonlyforacquisition,youcantakeadvantageofdifferentialanalog inputstoavoidconnectingyourdigitizerdirectlytoyourmeasurementgroundthroughsignalcables.However,ifyouusetheanalogoutputsofyourdigitizerthismaynotbepossible,sinceanalogoutputsarerarelydifferential.Analogoutputsareparticularlyaproblemifthedigitizergroundisthesameasthecomputerground.Computergroundlinesusuallytransmithigh-frequencyswitchingnoise.Thenoisecanbecoupledthroughthecommongroundintoyourmeasurementsystem.Thisisacommonfailingoflow-costdigitizerboards.TheInstrutechITC-16andITC-18useopticalisolationinthedigitalcontrolpathofthedigitizer.Thiscompletelyisolatesthemeasurementsystemfromthecomputerground.InputImpedanceTheFET-basedinputamplifiersusedinmoderndigitizershaveaveryhighinputimpedance.Ifinputsareleftunconnected,theycanpickupunwantedsignalsandcouplethemintothedigitizer.TheAxonInstrumentsDigidata1200A/BandtheInstrutechITC-16haveveryhighimpedanceanaloginputs.Forbestresults,unusedinputsonthesedevicesshouldbegrounded.TheInstrutechITC-18hasbleedresistorsconnectedinternallybetweentheanaloginputsandgroundtoreducepickupofstraysignals.Groundingofunusedanaloginputsislesscriticalwiththisdevice.PhaseIfyouaresamplingfrommultipleinputchannels,youmaybeinterestedinthephaserelationshipbetweentheinputs.DigitizersthatuseasinglemultiplexedA/Dconverterinherentlyhaveadelaybetweenmeasurementsondifferentinputchannels.Forexample,iftwochannelsarebeingsampled,eachatintervalT,mostmultiplexer-baseddigitizerswillsamplesuccessivechannelsatintervalT/2.SamplenumberNonchannelAandsamplenumberNonchannelBwillbeseparatedintimebyT/2.Formostapplications,thisdelayisnotofconcern.However,insomecasesthephaserelationshipbetweensignalsisofinterest.Tolimitthephaseshiftbetweenchannels,youcanampleataveryhighrate.Ifyoucansamplequicklyenough,youcanminimizethedelaybetweensamples.Analternativesolutionistosamplefromsuccessivechannelsathighspeedinaburst.Somedigitizersprovidesophisticatedinternaltimersthatallowyoutosampleagroupofchannelsquickly,thendelayforthenextsample.Forexample,supposeyoursamplingrateis1kHzonfourchannels.Withmostdigitizers,youwouldsampleatanintervalof250ms.However,ifyourdigitizerhasthecapability,youcouldsamplethefourchannelsatanintervalofonly10ms,thenwaituntilafull1000msintervalhaselapsedbeforethenextsample.Youcanalsocorrectfortheerrorinsoftware.Youmaybeabletoadjustyourcalculationsforthedelay.Forexample,theHEKAPulseprogramisawareofsomeofthedelaysintheInstrutechITC-16,andadjustsforthem.Thebestsolutionistouseadigitizerwithoutamultiplexer.Somedigitizers,suchastheInstrutechITC-18andtheMarkenrichCL522,provideanA/Dconverterforeachinputchannel.Thisallowsallchannelstobesampledsimultaneously,withnodelay.UsingmultipleA/Dconvertersisbyfarthebestsolution,butitisalsothemostexpensive.Synchronization Digitizersmayprovideanalogoutputsusedforstimulationandcontrol.Theanalogoutputsareupdatedatthesameratetheanaloginputsaresampled,andhavesufficientbufferingtoallowcontinuousstimulationwhilerecording.Whenusingadigitizertomeasuretheresponseofasystemtoastimulus,beawareofthetimerelationshipbetweenstimulationandsampling.Twoeffectsmustbeconsidered:thepipelineandthedevicetiming.Digitizersgenerallyhavepipelinesofinputandoutputsamples.Forexample,theA/Dconverterusuallydeliversadigitizeddatavaluewhileitconvertsthenextvalue.Datavaluesmaybetemporarilybufferedininternalregisterswhilebeingtransferred.Thisusuallyleadstoadelayofthreetofivesamplesinapipeline.Toseetheeffectofthispipeline,supposethatatastimulusvalueappearsononeofthedigitizeroutputs.Simultaneouslyananaloginputissampled.Evenifthesystembeingmeasuredhasnodelay,severalsampletimeswillpassbeforetheanaloginputvalueresultingfromthestimuluspassesthroughthepipeline.Whenmeasuringtheresponseofasystemtoastimulus,thisdelaymustbetakenintoaccount.Dependingonthedigitizerdesign,thisdelaymaybeafunctionofthenumberofchannelsbeingsampledorstimulated.Analoginputsamplingandanalogoutputupdatemaynotbesimultaneous.Thedesignerofadigitizerusuallytriestominimizeanaloginputmeasurementnoise.Whenanalogoutputsareupdated,thetransitionmaycauseelectricaldisturbancesthatappearasnoiseontheanaloginputs.Capacitivecouplingfromtheoutputstotheinputcanappearasnoiseontheinputs.Noisecanalsobearesultofcouplingthroughthepowersupplyorground.Asimpletechniquetominimizethisnoiseistochoosethephaserelationshipofsamplingandupdatetoallowasmuchtimetopassfollowinganupdatebeforethenextsample.Forexample,ifthesamplingintervalisT,theanaloginputsmightbesampledattime0andtheanalogoutputsmightbeupdatedattimeT/2.Ifyouareinterestedinmeasuringtheresponseofasystemtoastimulusprecisely,youwillhavetoobtaininformationfromthevendorregardingthesynchronizationofstimulationandresponse. 附录B英文文献译文数据采集：简介Bruxton公司这是一个非正式引入数字数据采集硬件。它主要是针对用于记录与收购计划协助在选择适当的硬件。概观原则上，数据采集硬件是相当简单的.一个的A/D转换器提供了一个序列值代表一个模拟信号的取样。在实践中，选择和正确使用数据采集硬件更为复杂。本文提供了一个非正式的介绍。许多例子都取自膜片钳记录。这种技术需要准确地采集低电平信号（皮安），音频范围内的带宽（高达10kHz）。背景一种数据采集系统中的信号转换成一个数字值序列来自从传感器的。该传感器连接到一个放大器，该放大器的信号转换成一个潜在的。该放大器是依次连接到数字转换器，其中包含一个A/D转换器使用数字转换器产生的序列的值，表示信号。信号源大多数被数字化的信号源传感器，都被连接到一个放大器调节.放大器提供一个电信号。然后，这个信号用一个A/D转换器数字化。对于膜片钳记录中，传感器解决方案充满移液器。吸移管被连接到上面的移液管或高电平信号通过移液管的电流电压转换的一个膜片钳放大器。按照惯例，一个膜片钳放大器的满量程输出范围为±10V，相匹配的一系列常见的仪表质量数字化仪。数字转换器甲数字转换器转换成一个或多个通道的模拟信号相应的数字值序列。数字化仪的心脏是一个A/D转换器，一个装置的模拟信号进行采样，并将其转换为数字值的样本例如，数字化仪，用于记录从一个单一的离子通道，可能确定每50ms一次的膜片钳放大器的输出，并提供所得到的值的计算机。采样定理数据采集的目的是分析以数字形式的模拟信号。这是可能的，数字转换器产生的序列的值必须代表原来的模拟信号。 采样定理指出，这是一个模拟信号的情形。采样定理指出，从一个序列的样本以均匀的时间间隔，只要采样频率可重构是不小于两倍的信号带宽。例如，假设一个信号包含的频率从直流（0Hz的）到10kHz。这个信号必须被采样的速率至少为20kHz的正确重建。作为一个实际问题，采样率应该是几次感兴趣的最高频率的最小采样速率。例如，要解决一个10kHz的信号，需要的最小采样速率为20kHz，但在实践中，应使用的采样速率为50kHz或更。控制在此讨论中的是模拟信号数字化的计算机。在许多情况下，计算机也可以产生模拟控制信号。例如，在膜片钳实验中电压门控离子通道，计算机被频繁地使用，以产生电刺激激活的通道。这些控制信号都采用一个D/A（数字到模拟）转换器。从传感器到信号许多信号源包括一个感应器和一个放大器。该放大器的输出转换到的信号进行数字化的传感器。前置放大器位于尽可能接近传感器前置放大器都建有许多仪器仪表系统。一个单独的放大器，前置放大器转换输出到一个高层次的信号。名次接近传感器前置放大器，降低了噪音，通过允许要被放大的信号通过电缆之前被发送。由于在传感器附近的物理空间是有限的，在前置放大器是尽可能的小，与散装位于在放大器的电子设备。例如，在膜片钳设置，传感器是一个充满溶液的吸液管，前置放大器是头阶段，且放大器膜片钳放大器本身。信号调节许多传感器提供的信号才可以被数字化，必须转变。例如，一个微电极移液管可用于测量电流，而数字化仪测量电位（电压）。膜片钳放大器提供了电流-电压放大，通常以每PA的输入输出mV的。这种变换的传感器信号被称为信号调理。信号调理可能会更复杂。一个非线性传感器的输入信号可被转换成的电压是线性的被测量的量，补偿可以由二阶影响，如温度，或间接的影响，如频移可被转换成的电压。集成的数字化仪作为A/D转换下降的成本，数字化功能可以被移动到放大器。例如，HEKA电子的EPC-9膜片钳放大器包含一个内置的数字化设备（InstruTech产品ITC-16）。数字转换器集成到一个放大器可以大幅降低总噪声的数字化信号中，由于模拟信号通过电缆不进行从放大器到一个外部数字转换器。小心仪器规格比较时，一个内置的数字化模拟放大器。包括数字化电子放大器外壳可能会增加噪声和数字转换器本身可能会增加噪音的信号。然而，在数字化的信号的总噪声可能会远小于，如果一个外部数字转换器的使用。在一个放大器的一个集成的数字转换器的组合的模拟放大器和一个外部的数字化仪进行比较。数字化仪集成到一个放大器的一个主要优点是，放大器设计师可以很容易地包括电脑控制的功能。此类放大器连接到一个数据采集程序，可以再提供一个集成的用户界面，简化了操作。此外，收购程序，可以记录所有的放大器的设置，简化了数据分析。 从信号到采样甲数字转换器包括一个A/D（模拟到数字）转换器进行采样的模拟输入信号，将其转换为一个数字值序列。混叠采样定理的状态，以便能够重构信号，采样速率必须是至少两倍于信号带宽。如果一个信号包含的频率高于采样频率的一半分量，会发生什么事？采样率的一半以上的频率分量出现在较低的频率采样数据。的表观频率的采样信号的实际频率的模数采样率的一半。例如，如果一个26kHz的信号进行采样，在50kHz，它似乎是1kHz的信号的采样数据的。这种效应被称为混叠。抗混叠滤波器如果以进行数字化的信号成分在频率大于半采样频率，抗混叠滤波器是必需的，以减少信号带宽。抗混叠滤波器，必须切断上述信号分量的采样率的一半。大多数信号源固有的频带受限的，所以在实践中，抗混叠滤波器也常常不是必需的。然而，一些信号源产生宽带噪声，必须除去一个抗混叠滤波器。例如，膜片钳放大器内置抗混叠滤波器。膜片钳记录用于吸移管固有的过滤上述取值范围为1kHz的低频信号。膜片钳放大器的良好的高频响应来实现仅由升压的高频分量的信号，以补偿的移液管的频率响应。这可能会产生明显的高频噪声。一个补丁钳放大器提供了一个过滤器来消除这种噪声。集成转换器讨论混叠时假定瞬时采样。产生的输出值，由A/D转换是指瞬时模拟信号幅度。这种采样的A/D转换器是最常见的用于仪器仪表。有些A/D转换器采用积分转换技术。这样的数字转换器所产生的输出值表示在采样间隔的模拟信号幅度的积分。这种转换器消除锯齿。它们可以被看作是包含一个内置的抗混叠滤波器的。很少用于高速控制的应用集成转换器。最常用的技术用于实现高速积分转换结果之间的模拟采样和相应的数字转换器的输出值的采样间隔的延迟。这种延迟可以推出，如果数字转换器的控制系统中使用的闭环响应在高频率中的相当大的相移。分辨率通常，数字化仪提供的计算机，固定长度的二进制数。例如，Axon的仪器Digidata1200A产生12位的数字，而InstruTech产品公司ITC-16产生16位的数字。每个值的长度被称为的移动设备，以位为单位的分辨率。分辨率可以翻译成一个绝对的输入电平。大多数数字化仪测量摆幅高达从零到约10V，20V的总范围。一个12位的值，分辨率为4096分之1，所以一个12位数字化仪的分辨率20V除以4096，或大约为5mV。这表示说，一项改变（或至少显着位，或LSB）表示为5mV。 由于很少有模拟仪器的精度显着超过0.1％，它似乎是数字化在一个10位或11位分辨率范围内就足够了。然而，更精确的分辨率是必要的，因为输入信号经常不在整个输入范围。例如，即使仪表放大器的增益已被调整，以产生与一个20V的范围内的输入信号，用2V范围内的小元件发出的也可能是一个分辨率为0.1%的范围在2V到20V内的信号，而其至少需要有13位的分辨率。准确性几种规格被用于表达特定的数字化仪的精度。如何精确的数字值代表模拟输入的绝对精度表示。例如，可能具有数字化转换器4096的1份，其绝对精度。这也可以说，数字化仪有12位绝对精度表示。相对精度表示，如何精确的数字化测量两个模拟输入值之间的差异。这通常是比绝对精度更大的兴趣。噪声规范表示数字转换器的输出会随模拟输入没有变化多少。这是经常表示为比特数。例如，一个16位的数字转换器与两位噪声将有效地产生一个14位数字化仪相同的结果。数字化仪的准确度，变化很大，它的最大采样速率。更精确的数字化，慢。阅读数字化仪规格时一定要小心。在某些情况下，制造商发布了A/D转换器中使用数字化仪作为整个数字化仪规格的标准。然而，数字化仪的准确度可能会显着地减少。数字化仪可以包括必要的元件，如放大器和基准电压源，降低的准确性。此外，A/D规格仅适用于特定的条件下转换器数据手册中的描述。在数字化，这些条件可能不适用。从采样到传输到电脑一旦数据被数字化，必须将其传送到计算机上。数字化仪通常内置的电脑插件板，所以转让发生在计算机总线。用于测量高速数字化仪可以养活高和恒定速率的数据传输到计算机。例如，数字化仪上运行的一个信道在100k的样本/秒的通常会连续产生200k的字节/秒的数据。这是一个大的数据流。连续性质多的数据采集需要某种缓冲。例如，如果计算机停止30ms的数据写入到磁盘或更新显示，6000字节的数据就会聚积起来。数据必须存储在某个地方，或将丢失。数据传输：DMAAxon的仪器Digidata1200使用DMA（直接存储器访问）将数据传输到电脑主机的记忆。的DMA传输着手无论几近主机。DMA传输上遇到的问题，在连续收购。的问题是，使用PC主板上的DMA控制器只能够将数据传送到一个连续的内存块。然而，微软的Windows95和WindowsNT使用4K字节页分配内存。数据采集程序可能有一个大的缓冲区，但缓冲区将分散在物理内存中的4K字节页。DMA控制器可以转移到只有一个页面的时间。当完成一个页面时，它将中断主机。数字化的设备驱动程序，然后重新翻页DMA控制器。通常情况下，这些周期性的中断是不是一个问题。例如，即使在全为330kHz的速率的Digidata1200，一个4K缓冲区加载都只需6ms。在驱动程序的中断处理快速的处理器可能需要50微秒，处理器服务中断小于1％小时。然而，问题会在多任务操作系统，如MicrosoftWindowsNT，因为许多其他的活动可以同时进行。如果另一个设备驱动程序进行处理，并已锁定暂时中断，数字化设备驱动程序可能必须等待维修的DMA控制器。 为了处理这个问题，Axon仪器增加了从2K缓冲存储器Digidata的样品中至8KDigidata1200样本中的1200A和1200B。此增加使单位来缓冲数据，即使在高达24MS为330kHz，也能够避免失真。数据传输：缓冲器InstruTech产品公司ITC-16和ITC-18没有使用DMA。相反，他们使用一个大的缓冲区来保存数据，直到它可以由主机处理。然后，数据传送给主计算机，由编程的I/O。即，设备驱动程序执行转移。在目前的电脑，可编程I/O效率DMA。这些计算机通常由存储系统在性能上的限制。因此，即使是通过DMA传输电脑主机的干预没有发生，转移关系的内存，从而有效地摊点处理器。InstruTech产品的数字化仪提供不中断主机。相反，电脑主机定期轮询设备获取数据。此轮询定期进行应用程序（即HEKA脉冲或Bruxton的公司收购。由于投票站可能是罕见的，数字化需要一个大的缓冲区，例如，如果一个程序可以轮询只有一次每100ms数字化，数字化仪有20000样品内存在200kHz操作。InstruTech产品ITC-16有16K采样FIFOInstruTech产品ITC-18是一个256K的采样FIFO或1M采样FIFO。数据传输：PCI总线主控一些PCI总线的数据采集板可以直接写入数据到上位机采用总线主控的记忆。总线主数据传输不使用主板的DMA控制器，因此有可能支持直接写入不连续4K的页面组成的缓冲区。在未来，总线主控设计有可能成为流行。那些熟悉计算机系统设计，会发现，其实直接内存访问（DMA）传输PCI总线主转移。在PC系统上，由于历史原因，长期的DMA是指使用DMA控制器内置在主板的。数据传输：输出到目前为止的讨论集中在数据传输采集到的数据。如果数字转换器是用于同步的刺激或控制，用于获取数据相同的数据传输发生问题。事实上，总数据速率加倍。考虑，例如，通过100kHz的采样率的一个频道上的一个激励/响应测量。接收采集的数据由计算机在100kHz。同时，激励波形必须由计算机交付到数字转换器在100kHz。全数据速率为200kHz。Axon仪器和InstruTech产品数字化仪有对称处理输入和输出。输出缓冲器的输入缓冲器的大小相同，并使用相同的数据传输技术。测量精度以下各节讨论的动态测量精度的影响问题。串扰大多数数字化仪记录从多个模拟输入通道，8个或16个输入通道，普遍支持的。一个重要的规范是输入通道，也就是，从一个信道，出现在另一信道的输入信号的量之间的串扰。串扰是一个问题，因为许多数字化仪使用一个单一的模拟到数字转换器，和一个开关被称为多路转换器之间进行选择输入通道。多路转换器本身是串扰的一个源。即使当开关打开时，输入的开关和多路转换器的输出之间的电容耦合产生的与频率相关的串扰。高频输入信号被耦合到多路复用器的输出，甚至当它们没有被选中。为了测量这种串扰，地面模拟输入和样品。同时，连接到另一输入端通道的高频信号。请注意，出现在接地的输入的高频信号的振幅。这是串扰。改变输入频率，并通知中的串扰量的变化。 串扰可能不显着的，当用于膜片钳数据采集数字化仪。通常，一个模拟输入用于离子通道信号，而其他模拟输入是用来测量非常低的低频信号。离子通道信号的低频信号没有显着的情侣。该离子通道的信号耦合到低频率的信道，但一般都可以消除许多这些通道上的输入样本的平均。如果测量多个通道上包含高频数据，描述数据采集系统的串扰，在你这么做之前。否则，你可能会发现自己输入数据，由于您的数字化，而不是测量系统测量的相关性。随着时间的推移，这个问题将变得不那么重要，作为A/D转换器的成本下降。数字化仪的制造商可以承受一个A/D转换器可用于将每个输入通道，避免了使用一个多路复用器。建立时间A/D转换器输入的建立时间可能会限制多通道采样率。许多A/D转换器的输入放大器不能按照频率非常高的输入信号。当多路转换器切换频道，这出现在A/D转换器的输入端的信号电平作为一个突跳。在低采样率，A/D输入将有相当长的时间来解决之前，转换下一个样品。在高采样率，输入可能没有时间来解决，在一个通道的输入信号的影响就下测得的值。要看到这样的效果，所有输入接地，数字化仪，只有一个除外。连接该输入的可变DC电平。样品以很高的速率在多个渠道上。请注意，如果改变一个通道的输入电平，导致测量值改变接地通道之一。通常情况下，数字化仪实现全带宽只有在不被使用的多路转换器，数字转换器的采样只从一个输入通道。Axon仪器Digidata的1200A/B和InstruTech产品公司ITC-16都使用一个A/D转换器和多路复用器。公司ITC-18InstruTech产品使用一个单独的A/D转换器，每输入通道。虽然这引起了装置的成本，它基本上消除了串扰。接地数字化仪电仪表系统的一部分。这可能会造成问题，如果你不考虑数字化规划时，您的仪器的接地。如果您的数字化仪仅用于收购，你可以利用差分模拟输入，以避免直接测量地面通过信号电缆连接您的数字化。然而，如果你使用的模拟输出数字化仪这可能是可能的，因为很少差分模拟输出。模拟输出是特别的问题，如果数字转换器的接地是相同的计算机地面。计算机接地线，通常发射高频开关噪声。噪声可以通过耦合到测量系统中的共同点。这是一个低成本数字化板的通病InstruTech产品ITC-16和ITC-18使用的光隔离数字控制的数字化路径。这从计算机地面完全隔离了测量系统。输入阻抗现代数字化仪中使用的基于FET的输入放大器，具有非常高的输入阻抗。如果输入悬空，他们可以拿起不必要的信号和夫妇到数字化。Axon仪器Digidata1200A/B和ITC-16InstruTech产品有非常高阻抗模拟输入。为了达到最佳效果，在这些设备上未使用的输入应接地。InstruTech产品ITC-18泄放电阻之间的内部连接模拟输入和地面，以减少杂散信号皮卡。未使用的模拟输入接地与此设备是不太重要的。相位如果从多个输入通道采样之间的相位关系的输入，你可能会感兴趣。 使用单一的数字化仪，多路A/D转换器本身有不同的输入通道之间的延时测量。例如，如果两个通道都被采样，在时间间隔T中，大多数多路转换器为基础的数字化仪，将样品在T/2时间间隔的连续通道。样本数N通道A和通道B的采样数N将在时间上分开，由T/2。对于大多数应用中，这种延迟是不关心。然而，在某些情况下，信号之间的相位关系的兴趣。为了限制渠道之间的相移，你可以在一个非常高的速度充足。如果你可以品尝足够快的速度，你可以最大限度地减少样本之间的延迟。一种替代的解决方案是在突发的高速连续通道采样。一些数字转换器提供先进的内部定时器，让您迅速品尝一组通道，然后延迟下一个样本。例如，假设您的采样速率为1kHz四个通道上。对于大多数数字转换器，你会品尝的时间间隔为250ms。然而，如果你的数字化仪有能力，你可以品尝到只有10毫秒的间隔四个通道，然后等待，直到一个完整的1000毫秒的时间间隔已经过去了，再下一个样品。您也可以修正软件错误。你也许能够调整您的计算延迟。对于例如，HEKA脉冲的程序是知道的一些延误InstruTech产品ITC-16，并为他们调整。最佳的解决方案是使用没有多路转换器的数字化仪。某些数字化仪，如InstruTech产品ITC-18和在MarkenrichCL522，为每个输入通道提供一个A/D转换器。这允许所有通道同时采样，没有延迟。使用多个A/D转换器是迄今为止最好的解决方案，但它也是最昂贵的。同步数字化仪可提供模拟输出，用于激励和控制。模拟输出被更新，以同样的速度的模拟输入进行采样，并有足够的缓冲，以允许同时记录连续刺激。当使用数字化测量系统的响应刺激的激励和采样时间之间的关系，做到心中有数。必须考虑两方面的影响：管道和设备的时间。数字转换器通常具有管道的输入输出样本。例如，A/D转换器通常提供了一个数字化的数据值，而它的下一个值转换。数据值可能会暂时缓存在内部寄存器中，而被转移。这通常会导致在管道中的延迟三至五个样品。要看到这条管线的效果，假设在一个激励值出现在一个数字化的输出。同时模拟输入的采样。即使被测系统具有无延迟，几个采样时间将通过模拟输入值产生激励前通过通道。测量系统的响应激励时，这种延迟必须被考虑在内。根据不同的数字转换器的设计，这种延迟可能是被采样或激励的信道的数目的函数。模拟输入采样率和模拟输出更新可能不同步。数字化仪的设计者，通常试图减少模拟量输入测量噪声。当模拟输出更新，过渡可能造成电气干扰，出现噪声对模拟输入。从输出到输入电容耦合可以显示为输入噪声。噪声可以也是通过电源或接地的耦合的结果。一个简单的技术来减少这种噪音是选择采样和更新，让尽可能多的时间来通过下一个样品前更新后的相位关系。例如，如果采样的时间间隔为T时，模拟输入可能被采样在时间0时的模拟输出可能会更新在时间T/2。如果系统对测量激励的响应有影响的话，那么必须从激励源那里去获取激励的同步信息以及响应。