เลือก DAQ อย่างไร ให้เหมาะกับการใช้งาน

ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยในการเลือกอุปกรณ์ DAQ (Data Acquisition) ให้เหมาะสมงาน เนื่องจากมีรายละเอียดหลายอย่างที่ต้องพิจารณา แต่ในบทความนี้จะสรุป 5 ปัจจัยเบื้องต้น ที่ใช้พิจารณาเลือกอุปกรณ์ DAQ ให้ตรงกับการใช้งาน เพื่อให้ทุกคนสามารถเลือกอุปกรณ์ DAQ ได้ตรงตามความต้องการ

1. ประเภทและจำนวนช่องสัญญาณ
2. การปรับแต่งสัญญาณ (Signal Conditioning)
3. ความเร็วในการรับ หรือ สร้างสัญญาณ (Sampling Rate)
4. ความละเอียดของอุปกรณ์ (Resolution)
5. ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้จากการวัด (Accuracy)

1. ประเภทและจำนวนช่องสัญญาณ

ก่อนอื่นเลย เราจำเป็นต้องรู้ ประเภทของสัญญาณ และ จำนวนช่องสัญญาณ ที่ต้องการใช้งาน

ประเภทของสัญญาณ แบ่งได้เป็น 4 ประเภท

1. Analog Inputs วัดสัญญาณแบบ Analog ตัวอย่างเช่น รับสัญญาณ ±10 V
2. Analog Outputs สร้างสัญญาณแบบ Analog ตัวอย่างเช่น สร้างสัญญาณ 0-10 V
3. Digital Inputs/Outputs วัด หรือ สร้างสัญญาณแบบ Digital ตัวอย่างเช่น อ่านสถานะหรือส่งคำสั่งเปิด [5V] – ปิด [0V]
4. Counter/Timers นับเหตุการณ์ หรือ สร้างพัลส์ แบบ Digital ตัวอย่างเช่น นับรอบ Encoder, สร้างสัญญาณ PWM

ส่วนอุปกรณ์ DAQ สามารถแบ่งได้ คร่าว ๆ เป็น 3 ประเภท

1. Single Function DAQ มีช่องสัญญาณด้านบนเพียงประเภทเดียว จำนวนช่องสัญญาณขึ้นอยู่กับรุ่นที่เลือก
2. Multifunction DAQ มีช่องสัญญาณด้านบนหลายแบบ เช่น เป็นอุปกรณ์ที่มีทั้ง Analog Inputs/Outputs ในตัวเดียวกัน หรือมีช่องสัญญาณทั้ง 4 ประเภทในอุปกรณ์เดียว จำนวนช่องสัญญาณขึ้นอยู่กับรุ่นที่เลือก
3. Modular Platform จะประกอบด้วย Chassis ที่มีช่องสำหรับใส่โมดูล กับ โมดูล I/O ซึ่งสามารถเลือกประเภทและจำนวนช่องสัญญาณได้หลากหลาย ขึ้นอยู่กับรุ่นของโมดูลที่เลือก

โดยในการเลือกจำนวนช่องสัญญาณ ของอุปกรณ์ DAQ นั้น แนะนำว่า ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณแบบใด ก็แนะนำให้เลือก อุปกรณ์รุ่นที่มีจำนวนช่องสัญญาณมากกว่าที่ต้องการใช้ หรือ เลือก Chassis ที่มีจำนวนช่องใส่โมดูลมากกว่าที่ต้องการใช้ เพื่อรองรับการใช้งานเพิ่มเติมในอนาคต

2. การปรับแต่งสัญญาณ (Signal Conditioning)

ลำดับถัดมาเราอาจจะต้องตั้งคำถามกับตัวเองว่า สัญญาณที่เราต้องการจะวัดจำเป็น ต้องมี Signal Conditioning เพื่อปรับแต่งสัญญาณจากเซนเซอร์ ก่อนเข้าตัว DAQ หรือไม่ เพราะ สัญญาณที่วัดได้จากเซนเซอร์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องมี การปรับแต่งสัญญาณ (Signal Conditioning) ก่อน

ทำไมต้องมีการปรับแต่งสัญญาณ โดยทั่วไปอุปกรณ์ DAQ สามารถวัด หรือ สร้างสัญญาณ ได้ที่ ±5 V หรือ ±10 V ซึ่งสัญญาณจากเซนเซอร์บางประเภท ยากต่อเข้ากับอุปกรณ์โดยตรง จึงเป็นสาเหตุว่าทำไมต้องมีการปรับแต่งสัญญาณ ก่อนที่จะทำการวัด ตัวอย่างเช่น Thermocouples สร้างสัญญาณไฟฟ้าขาออกเป็น mV จึงอาจจะไม่สามารถต่อเข้ากับอุปกรณ์ DAQ โดยตรงได้ ทำให้จำเป็น ต้องมีการขยายสัญญาณ (Amplification) เพื่อปรับให้เหมาะกับช่วงการทำงานของ ADC (Analog-to-Digital Converters) และมีการกรองสัญญาณ (Filtering) แบบ Lowpass เพื่อกรองสัญญาณรบกวน (Noise) ความถี่สูง ออกไป ดังนั้น ในกรณีของ Thermocouple จึงจำเป็นต้องผ่าน Singal Conditioning ก่อนที่จะต่อเข้ากับอุปกรณ์ DAQ

โดยเซนเซอร์แต่ละประเภทก็ต้องการ Signal Conditioning แตกต่างกัน สามารถดูได้จากตารางสรุปด้านล่าง

ทั้งนี้ ในการเลือก DAQ เราสามารถเลือก DAQ แบบที่ไม่มี Signal Conditioning เช่น NI USB-DAQ แล้วทำการต่อวงจรสำหรับ Signal Conditioning เอง หรือ เลือก DAQ ที่มี Signal Conditioning มาในตัว เช่น อุปกรณ์ประเภท C-Series Module ซึ่งส่วนมากก็รองรับการเชื่อมต่อกับเซนเซอร์เฉพาะในตัว เพื่อความสะดวกในการใช้งานเซนเซอร์นั้น ๆ อยู่แล้ว

3. ความเร็วในการรับ หรือ สร้างสัญญาณ (Sampling Rate)

อัตราการสุ่มสัญญาณ (Sampling Rate) ของอุปกรณ์ DAQ เป็นปัจจัยลำดับถัดมาที่เราควรต้องพิจารณา โดยอัตราการสุ่มสัญญาณ (Sampling Rate) จะหมายถึง ความเร็วที่อุปกรณ์ DAQ เก็บข้อมูลจากสัญญาณได้กี่ข้อมูลใน 1 วินาที ยกตัวอย่างเช่น Sampling Rate = 2MS/s หมายความว่า อุปกรณ์ DAQ มีความเร็วในการเก็บข้อมูลได้มากสุด 2 ล้านตัวอย่างต่อ 1 วินาที นอกจากจะใช้กับการวัดค่าสัญญาณแล้ว Sampling Rate ยังหมายถึง ความเร็วในการสร้างสัญญาณของอุปกรณ์ด้วย โดยทั่วไป Sampling Rate สามารถเป็นได้ทั้งแบบ Hardware-Timed (กำหนดด้วยอุปกรณ์ DAQ) หรือ Software-Timed (กำหนดด้วยโปรแกรม เช่น LabVIEW)

การเลือก Sampling Rate ของอุปกรณ์ DAQ ในทางทฤษฎี จะอ้างอิงจากทฤษฎีการสุ่มตัวอย่างของไนควิสต์ (Nyquist Theorem) ได้บอกไว้ว่า ถ้า Sampling Rate เป็น 2 เท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณที่สนใจ จะทำให้เราเก็บรูปร่างของสัญญาณได้

แต่ในทางปฏิบัตินั้น แนะนำให้เลือกอุปกรณ์ DAQ ที่มี Sampling Rate อย่างน้อย 10 เท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณที่สนใจ เพื่อให้เห็น รูปร่างของสัญญาณที่สนใจ ได้ชัดเจนและแม่นยำมากขึ้น

ดังนั้นแล้ว ถ้ารู้ความถี่สูงสุดของสัญญาณที่สนใจ ก็จะทำให้ตัดสินใจเลือก Sampling Rate ของอุปกรณ์ได้อย่างถูกต้องมากขึ้น

ภาพแสดงการเปรียบเทียบระหว่าง 10 kHz กับ 2 kHz สำหรับสัญญาณ Sine Wave 1 kHz

4. ความละเอียดของอุปกรณ์ (Resolution)

ค่าที่น้อยที่สุดที่เปลี่ยนแปลงไปในสัญญาณที่สนใจ จะเป็นสิ่งที่กำหนด ความละเอียด (Resolution) ของอุปกรณ์ DAQ โดย ความละเอียด หมายถึง ตัวเลขฐานสองที่ ADC ใช้แทนค่าระดับสัญญาณ ตัวอย่างเช่น มีสัญญาณ Sine Wave วิ่งผ่าน ADC ที่มีความละเอียดต่างกัน

• DAQ ที่ ADC มีความละเอียด 3-bit จะมีระดับแรงดันทางไฟฟ้า 2³ = 8 ระดับ ในการแสดงผล
• DAQ ที่ ADC มีความละเอียด 16-bit จะมีระดับแรงดันทางไฟฟ้า 2¹⁶ = 65,536 ระดับ ในการแสดงผล

ภาพแสดงความแตกต่างของ Sine wave ที่ความละเอียด 16-bit กับ 3-bit

ทำไมความละเอียดของอุปกรณ์ถึงมีความสำคัญ ถ้าดูจากภาพ จะเห็นได้เลยว่า ที่จุดสูงสุดของคลื่นลูกแรก ถ้าใช้อุปกรณ์ที่มีความละเอียดที่ต่ำ กับ อุปกรณ์ที่มีความละเอียดสูง ค่าที่วัดได้จากจุดสูงสุดของคลื่นลูกแรกนั้น มีค่าไม่เท่ากัน ซึ่งส่งผลกระทบต่อการใช้งานอย่างมาก ดังนั้นความละเอียดของอุปกรณ์จึงเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญในการพิจารณาเลือกอุปกรณ์

แล้วจะรู้ได้อย่างไรว่า ควรเลือกความละเอียดของอุปกรณ์เป็นเท่าไร ให้ดูจาก ค่าการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุด (LSB: Least Significant Bit) โดยมีวิธีการคำนวณดังนี้

LSB = Measurement Range / 2 ^{[ Resolution (bit) ]}

ตัวอย่างการคำนวณ ถ้าอุปกรณ์ DAQ มีช่วงการวัดระดับแรงดันทางไฟฟ้า -10 V ถึง +10 V ที่ความละเอียด 16-bit (จะมีการแบ่งระดับสัญญาณและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ 2¹⁶ = 65,536 ระดับ) โดยสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงได้ทุก ๆ 300 µV ตามการคำนวณดังต่อไปนี้

LSB = | 10 – (-10) | /  2¹⁶

LSB = | 10 – (-10) | / 65,536

LSB = 300 µV

หรือถ้ารู้ช่วงการวัด กับ ค่าการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุด ก็สามารถคำนวณหาความละเอียดของอุปกรณ์ ได้จากสูตร

Resolution (bit) = log₂ [ Measurement Range / LSB ]

5. ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้จากการวัด (Accuracy)

ความแม่นยำ ถูกกำหนดจาก ความใกล้เคียงกับค่าจริงของค่าสัญญาณที่วัดได้จากอุปกรณ์ ซึ่ง ความแม่นยำ (Accuracy) นี้ไม่ได้เกี่ยวข้องกับ ความละเอียด (Resolution) โดยตรง แต่ถ้าต้องพิจารณาเลือกอุปกรณ์ DAQ ควรให้ความสำคัญกับ ความละเอียด มากกว่า ความแม่นยำ

ในความเป็นจริง ไม่มีทางที่อุปกรณ์จะวัดค่าออกมาได้แม่นยำ 100 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสาเหตุก็มาจากหลายปัจจัย เช่น สัญญาณรบกวน (Noise), ความคลาดเคลื่อนของอัตราขยาย (Gain Error), ความคลาดเคลื่อนจากศูนย์ (Offset Error), ความไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinearity) ทางผู้ผลิตมักจะระบุความไม่แน่นอนเหล่านี้ ใน ข้อมูลของอุปกรณ์ (Specification) ว่า ความแม่นยำสัมบูรณ์ (Absolute Accuracy) ซึ่งจะแสดงถึงกรณีที่แย่ที่สุดของค่าที่อุปกรณ์วัดออกมา สามารถคำนวณได้จาก:

Absolute Accuracy = (Reading × Gain Error) + (Measurement Range × Offset Error) + Noise Uncertainty

แนะนำให้ตรวจสอบ Absolute Accuracy จาก ข้อมูลของอุปกรณ์จากทางผู้ผลิต เลยจะสะดวกกว่าการคำนวณด้วยตนเอง เนื่องจากค่าต่าง ๆ ที่ใช้คำนวณมาจากทางผู้ผลิต

ในปัจจุบันมีอุปกรณ์ DAQ ให้เลือกหลากหลาย เช่น PCIe, USB หรือ Ethernet โดยอุปกรณ์บางรุ่นมาพร้อมฟังก์ชัน การสอบเทียบตัวเอง (Self-Calibration), ระบบแยกสัญญาณ (Isolation) และ วงจรที่ช่วยเพิ่มความแม่นยำ โดยทั่วไปอุปกรณ์ DAQ พื้นฐาน จะมีค่า Absolute Accuracy มากกว่า 100 mV ถ้าเป็น รุ่นที่มีประสิทธิภาพสูงที่มีฟังก์ชันบางอย่าง ก็อาจจะมีค่า Absolute Accuracy ประมาณ 1 mV ได้เลย

หลังจากเข้าใจ 5 ปัจจัย ที่ใช้ในการพิจารณาเลือกอุปกรณ์ DAQ แล้ว ก็ไม่ใช่เรื่องยากในการเลือกอุปกรณ์ DAQ อีกต่อไป

หวังว่าบทความนี้จะสามารถช่วยให้ผู้ที่สนใจ สามารถเข้าใจปัจจัยในการเลือก DAQ และทำการเลือกอุปกรณ์ DAQ ให้เหมาะสมกับงานได้ด้วยตนเอง หากผู้อ่านมีคำถามหรือข้อสงสัยเพิ่มเติมสามารถติดต่อทีมงาน ติดต่อ ทีมงาน เทคสแควร์ ได้ครับ