4.1 数据采集系统

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多路模拟开关接通时间Ton和断开时间Toff、 采样保持器的捕获 TAC 、孔径时间TAP 和保 持建立时间Ts、A/D转换时间Tc和数据输出时 间Tout。
为了保证系统正常工作,消除系统在转换 NtTH 过程的动态误差,模拟开关对N 路信号顺序进 1 行等速率切换时,采样周期至少 f TH N tTH 为 ,
的数据采集任务和技术指标,确定调试系统和开发 软件的手段等。另外,还要对系统设计过程中可能 遇到的技术难点做到心中有数,初步定出系统设计 的技术路线。
2、确定采样频率 采样频率决定了采样数据的质量和数量。 利用采样定理来确定采样频率。 3.系统总体设计 在系统总体设计阶段,一般应做以下几项 工作。 (1) 进行硬件和软件的功能分配 (2) 系统A/D通道方案的确定 (3) 确定微型计算机的配置方案
(1) 进行硬件和软件的功能分配
一般来说,多采用硬件,可以简化软件设计工 作,并使系统的速度性能得到改善,但成本会增 加,同时,也因接点数增加而增加不可靠因素。 若用软件代替硬件功能,可以增加系统的灵活 性,降低成本,但系统的工作速度也降低。 要根据系统的技术要求,在确定系统总体方案 时进行合理的功能分配。
当环境温度变化时,各种误差限制在什么范围;
各通道模拟信号的采集是否要求同步;
所有的通道是否都使用同样的数据传输速率; 数据通道是串行操作还是并行操作; 数据通道是随机选择,还是按某种预定的顺序工作; 系统电源稳定性的要求是什么,由于电源变化引起的误 差是多少;
(3) 确定微型计算机的配置方案
2)输出通道的一般结构
(1)输出通道的作用
是计算机对采样数据实现某种运算处理后,将处理结果回送 给被测对象的数据通路。
(2)输出通道一般结构
取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所示。
(3)输出数据的形式
数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量,它
们可直接用于开关量、数字量控制系统及频率调制系统。 模
模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理
④ 数据存储。
⑤ 显示和打印输出。
三、数据采集系统的结构形式
数据采集系统的结构要从硬件和软件两方面考虑。 1、数据采集系统的软件 信号采集与处理程序; 运行参数设置程序(采样通道号,采样点数,采 样周期,信号量程范围,放大器增益系数等); 系统管理程序(主控程序); 通信程序。
分散采集式 (多通道并行数据采集系统)
分散采集式数据采集结构
特点:
每个通道都有独自的采样保持器和A/D转换器, 各个通道的信号可以独立采样和A/D转换器。 转换的数据可经过接口电路直接送至计算机 中,数据采集的速度快 。 多通道并行数据采集系统所用的硬件多、成 本高。这种结构形式适用于高速系统、分散 系统以及多通道并行数据采集系统。
号,然后送入计算机。
(2)数据处理
根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理,得出所需
的数据。
(3)处理结果的复现与保存
将处理后的结果在绘图仪、电平记录仪上显示出来,或者 将数据存入磁盘形成文件保存起来,或通过线路进行远距离 传输。
二、数据采集系统的基本功能
① 时钟功能。确定数据采样周期,同时也能为系统 提供时间基淮。 ② 数据采集。将现场检测传感器送来的模拟电信号 按一定的次序巡回的采样、进行A/D转换并存储 数据,即完成数据的采集。 ③ 信号处理。
取、变换、传输都是通过光导纤维实现 的,避免了电路系统的电磁干扰。在信
号输入通道中采用光纤传感器可以从根
本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
2、前置放大器
多数传感器输出信号都比较小,必须
选用前置放大器进行放大。 放大器要“前置”,放大器设置在滤波
器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
3、信号调理通道中的常用放大器
在智能仪器的信号调理通道中,针 对被放大信号的特点,并结合数据采集
电路的现场要求,目前使用较多的放大
器有仪用放大器、程控增益放大器以及 隔离放大器等。
隔离放大器
隔离放大器主要用于要求共模抑制比
高的模拟信号的传输过程中,例如输入数
据采集系统的信号是微弱的模拟信号,而 测试现场的干扰比较大对信号的传递精度 要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入 系统之前用隔离放大器进行隔离,以保证
拟量控制系统,则应通过数/模转换(D/A)将其变换成模拟 量信号。
四、模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务较复杂,
除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放
大、滤波外,还有诸如零点校正、线性化处
理、温度补偿、误差修正和量程切换等,这些
操作统称为信号调理,相应的执行电路统称为
信号调理电路。
1、传感器的选用
系统的可靠性。
4、信号调理中的抗混叠滤波器
采样频率小于最高频率的2倍,会产生频率混叠现象。 频率混叠:时域采样间隔过长,造成频域周期化间隔 不够大时,在重复频率交界处出现的局部互相重叠现
象。混叠的结果是:原来的高频信号将被误认为是某
种相应的低频信号。
消除混叠的措施: (1)、提高采样频率,在工程实际应用中,采样频率至 少为信号最高频率的7~10倍。采样频率不易过高,增加 计算负担。 (2)、应用AF(Anti-aliasing Filter),抗混叠滤波 器,降低信号中的最高频率。从理论上讲,由于抗混叠 滤波器的非理想特性,信号中高频分量不可能完全衰 减,因此不可能彻底消除混叠。 抗混叠滤波器: • 低通滤波器、集成低通滤波器芯片。 • 如果采样频率与信号中最高频率成分满足采样定理, 可以不用抗混叠滤波器 。
有测量精度高、抗干扰能力强、便于远
距离传送等优点。
频率量及开关量输出传感器的使用
3). 集成传感器:集成传感器是将传
感器与信号调理电路做成一体。例如, 将应变片、应变电桥、线性化处理、电 桥放大等做成一体,构成集成压力传感 器。采用集成传感器可以减轻输人通道
的信号调理任务,简化通道结构。
4). 光纤传感器:这种传感器其信号拾
(二) 可供选用的传感器类型
对于一种被测量,常常有多种传感器可以测 量,例如测量温度的传感器就有:热电偶、热 电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感 器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测 量范围、精度、速度、使用条件等情况下,应 侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进
行取舍,尽可能选择性能价格比高的传感器。
第四章 数据采集系统
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理 世界联系的桥梁,是获取信息的重要途径。 数据采集技术是信息科学的重要分支,它不仅 应用在智能仪器中,而且在现代工业生产、国 防军事及科学研究等方面都得到广泛的应用, 无论是过程控制、状态监测,还是故障诊断、 质量检测,都离不开数据采集系统。
可以根据具体情况,采用微处理器芯片、 单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据 采集系统的控制处理机。选择何种机型,对整 个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的 影响。
二、数据采集系统的误差分析
数据采集系统中的元器件很多,从数据 采集、信号调理、模数转换,直至信号输出, 经过许多环节,其中既有模拟电路,又有数字 电路,各种误差源很复杂。误差分析需要结合 具体系统、电路和元器件来进行。 数据采集系统的误差主要包括模拟电路 误差、采样误差和转换误差。
(一) 对传感器的主要技术要求
1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功
能,转换范围与被测量实际变化范围相一致。
2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求
而分配给传感器的精度指标,转换速度应符合整
机要求。 3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求,如 耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干 扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
2、数据采集系统的硬件
数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成。 1)输入通道的结构形式 (1)、单通道数据采集系统
(2)、 多通道数据采集系统
实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物 理量或同一种物理量的多个测量点。因此,多路模 拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电 路是各路共用一个还是每路各用一个,多路模拟输 入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。 利用多路模拟开关让多个被测对象共用同一个
(2)系统A/D通道方案的确定 模拟信号输入范围; 完成一次转换所需的时间; 模拟输入信号的特性是什么,是否经过滤波, 信号的最高频率是多少;
模拟信号传输所需的通道数;
采样/保持器的采集时间是多少;
在保持期间允许的电压下降是多少;
所需精度(包括线性度、相对精度、增益及偏置误差) 是多少;
§4.3 数据采集系统设计
课本 197-207页
一、数据采集系统设计的一般步骤 二、数据采集系统的误差分析 三、DAS设计实例
一、数据采集系统设计的一般步骤
1、分析问题和确定任务
在进行系统设计之前,必须对要解决的问题 进行调查研究、分析论证,在此基础上,根据实际
应用中的问题提出具体的要求,确定系统所要完成
1、采样误差
采样频率引起的误差
采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍
系统的通过速率引起的误差
通过速率:单位时间内系统对模拟信号的采集
次数。
系统的通过速率的倒数为吞吐时间,表明系统
每采样并处理一个数据所占用的时间。
系统通过周期(吞吐时间)TTH可用下式表示:
tTH tON toff t AC t AP ts tc tout
传感器是信号输入通道的第一道环节,也 是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器,首先要明确所设计的测试系 统需要什么样的传感器——系统对传感器的技 术要求;其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器,把同类产品的指标和价格 进行对比,从中挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。
采集通道,这就是多通道数据采集系统的实质。
集中采集式— 多路分时采集分时输入 (多通道共享采样/保持器和A/D转换器)
• 工作过程:各路被测参数共用一个采样/保持器和A/D转换 器。在某一时刻,多路开关只能选择其中某一路,把它接 入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已充分 逼近输入信号时,在控制命令的作用下,采样保持器由采 样状态进入保持状态,A/D转换器开始进行转换,转换完 毕后输出数字信号。在转换期间,多路开关可以将下一路 接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作,实 现对多通道模拟信号的数据采集。 • 特点:结构形式简单,所用芯片数量少,它适用于信号变 化速率不高,对采样信号不要求同步的场合。如果信号变 化速率慢,也可以不用采样保持器。如果信号比较弱,混 入的干扰信号比较大,还需要使用数据放大器和滤波器。
数据采集的定义:
数据采集是指将温度、压力、流量、位移 等模拟量进行采集、量化转换成数字量后, 以便由计算机进行存储、处理、显示或打 印的过程。相应的系统即为数据采集系统 (Data Acquisition System,简称DAS)
一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步: (1)数据采集
采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信
第四章 数据采集系统
§4.1 数据采集系统的组成
§4.1 数据采集系统的组成
课本190,198-199
一、数据采集的定义和工作过程 二、数据采集系统的基本功能 三、数据采集系统的结构形式
硬件结构、软件结构
四、模拟信号调理
传感器的选用 、信号调理通道中的常用放大器 信号调理中的抗混叠滤波器Leabharlann 一、数据采集的定义和工作过程
集中采集式—多路同步采集分时输入 (多通道同步型数据采集系统)
• 工作过程:各路信号共用一个A/D转换器, 但每一路通道都有一个采样保持器,可以 在同一个指令控制下对各路信号同时采样, 得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟 开关分时的将各路采样保持器输出信号接 到A/D转换器上进行模数转换。 • 特点:各路信号必须串行的在共用的A/D转 换器中进行转换,因此这种结构的速度仍 然较慢。
1). 大信号输出传感器 :为了与A/D输入要求
相适应,传感器厂家开始设计、制造一些专 门与A/D相配套的大信号输出传感器。
2). 数字式传感器:数字式传感器一般
是采用频率敏感效应器件构成,也可以 是由敏感参数R、L、C构成的振荡器,
或模拟电压输入经 V/F转换等,因此,数
字量传感器一般都是输出频率参量,具
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