第四章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第1頁(yè)，共38頁(yè)?！?.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成§4.2采樣保持器§4.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)1§4.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)2第四章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第2頁(yè)，共38頁(yè)。一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過(guò)程二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)四、模擬信號(hào)調(diào)理傳感器的選用、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器

信號(hào)調(diào)理中的抗混疊濾波器§4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成第3頁(yè)，共38頁(yè)。數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程。相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem,簡(jiǎn)稱DAS）一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過(guò)程數(shù)據(jù)采集的定義：第4頁(yè)，共38頁(yè)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程大致可分為三步：（1）數(shù)據(jù)采集采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)處理根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。

（3）處理結(jié)果的復(fù)現(xiàn)與保存將處理后的結(jié)果在繪圖儀、電平記錄儀上顯示出來(lái)，或者將數(shù)據(jù)存入磁盤形成文件保存起來(lái)，或通過(guò)線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

第5頁(yè)，共38頁(yè)。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能①時(shí)鐘功能。確定數(shù)據(jù)采樣周期，同時(shí)也能為系統(tǒng)提供時(shí)間基淮。②數(shù)據(jù)采集。將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器送來(lái)的模擬電信號(hào)按一定的次序巡回的采樣、進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。③信號(hào)處理。模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理、開關(guān)信號(hào)處理④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。⑤顯示和打印輸出。

第6頁(yè)，共38頁(yè)。三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要從硬件和軟件兩方面考慮。1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件信號(hào)采集與處理程序；運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序（采樣通道號(hào)，采樣點(diǎn)數(shù)，采樣周期，信號(hào)量程范圍，放大器增益系數(shù)等）；系統(tǒng)管理程序（主控程序）；通信程序。第7頁(yè)，共38頁(yè)。2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由輸入通道、輸出通道組成。1）輸入通道的結(jié)構(gòu)形式

（1）、單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第8頁(yè)，共38頁(yè)。

實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。因此，多路模擬輸入通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)，多路模擬輸入通道可分為集中采集式和分散采集式兩大類型。利用多路模擬開關(guān)讓多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。

（2）、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第9頁(yè)，共38頁(yè)。集中采集式—多路分時(shí)采集分時(shí)輸入

（多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器）

第10頁(yè)，共38頁(yè)。工作過(guò)程：各路被測(cè)參數(shù)共用一個(gè)采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時(shí)刻，多路開關(guān)只能選擇其中某一路，把它接入到采樣/保持器的輸入端。當(dāng)采樣/保持器的輸出已充分逼近輸入信號(hào)時(shí)，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)可以將下一路接通到采樣保持器的輸入端。系統(tǒng)不斷重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，它適用于信號(hào)變化速率不高，對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。如果信號(hào)變化速率慢，也可以不用采樣保持器。如果信號(hào)比較弱，混入的干擾信號(hào)比較大，還需要使用數(shù)據(jù)放大器和濾波器。第11頁(yè)，共38頁(yè)。集中采集式—多路同步采集分時(shí)輸入

（多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）

第12頁(yè)，共38頁(yè)。工作過(guò)程：各路信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，但每一路通道都有一個(gè)采樣保持器，可以在同一個(gè)指令控制下對(duì)各路信號(hào)同時(shí)采樣，得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開關(guān)分時(shí)的將各路采樣保持器輸出信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：各路信號(hào)必須串行的在共用的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此這種結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。第13頁(yè)，共38頁(yè)。系統(tǒng)不斷重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件這種結(jié)構(gòu)形式適用于高速系統(tǒng)、分散模擬開關(guān)分時(shí)的將各路采樣保持器輸出信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過(guò)程(一)對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，它適用于信號(hào)變化速率不高，對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。低通濾波器、集成低通濾波器芯片?；殳B的結(jié)果是：原來(lái)的高頻信號(hào)將被誤認(rèn)為是某輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。（1）、單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2）輸出通道的一般結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分散采集式

分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)（多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）第14頁(yè)，共38頁(yè)?；殳B的結(jié)果是：原來(lái)的高頻信號(hào)將被誤認(rèn)為是某4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)2模擬開關(guān)分時(shí)的將各路采樣保持器輸出信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程大致可分為三步：低通濾波器、集成低通濾波器芯片。擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）將其變換成模擬其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。GF289集成隔離放大器根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需利用多路模擬開關(guān)讓多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。信號(hào)調(diào)理中的抗混疊濾波器大信號(hào)輸出傳感器:為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計(jì)、制造一些專門與A/D相配套的大信號(hào)輸出傳感器。特點(diǎn)：每個(gè)通道都有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，各個(gè)通道的信號(hào)可以獨(dú)立采樣和A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可經(jīng)過(guò)接口電路直接送至計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)采集的速度快。多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的硬件多、成本高。這種結(jié)構(gòu)形式適用于高速系統(tǒng)、分散系統(tǒng)以及多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

第15頁(yè)，共38頁(yè)。分散采集式

(b)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)第16頁(yè)，共38頁(yè)。2）輸出通道的一般結(jié)構(gòu)

（1）輸出通道的作用

是計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算處理后，將處理結(jié)果回送給被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)通路。（2）輸出通道一般結(jié)構(gòu)取決于被測(cè)對(duì)象和控制任務(wù)。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。（3）輸出數(shù)據(jù)的形式數(shù)字信號(hào)的形式主要有開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，它們可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)。模擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）將其變換成模擬量信號(hào)。

第17頁(yè)，共38頁(yè)。第18頁(yè)，共38頁(yè)。在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理，相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。四、模擬信號(hào)調(diào)理第19頁(yè)，共38頁(yè)。第20頁(yè)，共38頁(yè)。1、傳感器的選用

傳感器是信號(hào)輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。第21頁(yè)，共38頁(yè)。(一)對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求1.具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。2.轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。3.能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。4.能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。第22頁(yè)，共38頁(yè)。(二)可供選用的傳感器類型

對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)單等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。

第23頁(yè)，共38頁(yè)。1）.大信號(hào)輸出傳感器:為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計(jì)、制造一些專門與A/D相配套的大信號(hào)輸出傳感器。

第24頁(yè)，共38頁(yè)。2）.數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。

第25頁(yè)，共38頁(yè)。頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用

第26頁(yè)，共38頁(yè)。3）.集成傳感器：集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。

第27頁(yè)，共38頁(yè)。4）.光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號(hào)輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。第28頁(yè)，共38頁(yè)。2、前置放大器

多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。放大器要“前置”,放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。即提高了電路接收弱信號(hào)的能力。

第29頁(yè)，共38頁(yè)。3、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器

（1）、儀用放大器（2）、程控放大器（3）、隔離放大器

第30頁(yè)，共38頁(yè)。（1）、儀用放大器第31頁(yè)，共38頁(yè)。（2）、程控放大器第32頁(yè)，共38頁(yè)。（3）、隔離放大器

隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號(hào)的傳輸過(guò)程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾比較大對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。

第33頁(yè)，共38頁(yè)。隔離放大器是三端口隔離，即輸入、輸出、電源的三個(gè)“地”是相互隔離的。采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出端