工程测试技术 数据采集系统(第三次作业)

工程测试技术数据采集系统（第三次作业）工程测试技术-数据采集系统（第三次作业）
数据采集系统的指标与选择
1.1定义
数据采集的英文名称是data acquisition，因此也被称为DAQ。

数据采集是指从传感
器和其他被测设备中自动采集物理信号或电信号，并将其发送到上位机进行分析和处理的
过程。

与传统的测量系统相比，基于PC的数据采集系统利用行业标准计算机的处理、存
储和显示能力，提供更强大、更灵活、更经济的测量解决方案。

典型的数据采集系统由信
号或传感器、信号调理硬件、数据采集设备、配置管理软件和应用开发软件组成。

1.2应用
在现代工业和科学研究中，数据采集系统无处不在。

广泛应用于测量显示、数据记录、工业监控、自动测试、样机设计等领域。

2、数据采集系统的指标
数据采集系统的指标主要有：通道数、分辨率、精度、采样频率、量化噪声、孔径时间、非线性度、最大取样率等。

2.1频道数量
所要考虑的是最容易和最明显的性能指标就是系统所需的通道数。

系统在很多输入中，至少必须有你所希望测量的信号。

首先考虑接口是否具有差分或单端输入。

如果差分和单
端输入都有，在说明产品通道数时，应加以注明，例如：16通道16位a/d板，都是指单
端通道数。

差分通道数是单端的一半。

习惯上要考虑行业标准。

另一项考虑是否要有特别
的模拟输入要求。

例如，系统所用的传感器对环境温度非常敏感，而且是在室外环境下，
进行精确测量时，必须测量传感器处的温度。

在测量来自热电偶的温度时，至少需要一个
输入通道用于冷端补偿。

2.2决议
模拟输入通道的分辨率是指系统可以提供的测量值或范围。

用满度信号可以分的级数，满度值的百分数（%fsr）等多种方式表示。

与输入范围结合在一起，分辨率决定在输入时，能检测多小的输入变化。

为了建立工程单位的分辨率，用分辨率除输入范围。

然而，对于10位以上的分辨率，所标定的系统性能，一般忽略误差。

2.3准确性
模数转换器adc的位数（也就是其二进制代码的个数）代表了adc的动态范围。

一定
的位数具有一定的量化精度。

尽管精度经常等同于分辨率，但它们不是相同的性能指标。

仅仅因为一个模拟输入系统可以分辨1v信号，但这不意味着输入是精确到1v。

反之是可
能的。

记住，高分辨率总能保证高精度。

模拟输入系统的主要误差贡献是输入偏移、增益
误差、非线性度和固有的系统噪声。

偏移、增益、积分非线性(inl)与输入噪声性能指标
结合起来计算总输入精度。

2.4采样频率
采样定理指出，如果信号本身的频带有限，且采样频率大于或等于信号中包含的最大
频率的两倍，则理论上可以根据其离散采样值完全恢复原始信号。

采样频率的一半称为奈
奎斯特频率（FN=FS/2）1。

如果要采集的信号中包含的频率分量高于奈奎斯特频率，则这
些较高的频率分量将混合到低于奈奎斯特频率的分量中，这称为“频率混叠”。

2）只要
被测信号波形中的大多数频率分量低于奈奎斯特频率，并且不允许高于奈奎斯特频率的频
率分量进入采集器，数据采样的影响就可以降低到一个较低的极限。

一般来说，为了避免
输入信号中杂散成分的高频对采样的影响，在采样处理之前使用截止频率为奈奎斯特频率
的低通滤波器，以便高于奈奎斯特频率的信号不会进入系统。

2.5量化噪声
在数据采集系统中将模拟信号转换为数字信号的过程中会产生量化噪声。

所谓数字信
号是指在时间和幅度上采样和量化的信号。

数字信号可以用一系列数字来表示，每个数字
都由有限的数字来表示。

在实际的数据采集系统中，数字信号的码位扩展是有限的，因此
必须允许一定的误差，即在量化过程中必须引入这种不确定因素。

这种不确定因素的引入
所引起的误差通常称为量化噪声。

在整个误差计算中，噪声系数必须相乘。

虽然您不希望
所有三个误差（偏移、线性和增益误差）同时产生，但假设它们都不存在是危险的。

在许
多情况下，量化噪声的方差比噪声的峰值更重要，因为方差与噪声的平均功率成正比。

2.6孔径时间
在数据采集器中，应考虑到任何类型的模数转换器都需要一段时间来完成量化和编码，模数转换器的转换时间取决于所采用的设备和接口软件。

如果输入模拟信号在转换期间仍
在变化，量化显然会产生一定的误差。

量化并记录“窗孔”打开时的模拟信号。

这个“窗
口孔”被称为“光圈时间”Ta，通常比转换时间tconv小得多。

如果输入模拟信号在光圈
时间内仍在变化，也会导致误差。

在数据采集中，在ADC前面使用Sha，相当于在ADC转
换时间上打开一个“窗口孔”，解决了ADC转换时间长与分辨率要求低的孔径时间之间的
矛盾。

其实质是将模拟信号的离散化和量化分为两个步骤。

首先需要对模拟信号进行离散化，然后通过ADC对模拟信号进行离散化。

2.7非线性度
非线性是实际电压的输入测量曲线与理想直线之间的差异。

非线性误差有两个分量：
积分非线性和差分非线性。

在大多数数据采集系统中，inl是一个重要的性能指标，通常
用位表示，表示电压读数曲线偏离直线所造成的最大误差贡献。

DNL描述了a/D转换器增
加或减少1位所需的输入电压变化之间的抖动。

在一个理想的转换器中，从一个读数到下
一个更高读数的电压增量是相等的，严格地说是系统分辨率。

例如，对于具有10V输入范
围的16位系统，每个位的分辨率为152.6v。

理想的转换器应在每次增加1位数字输出时
将其输入电压增加152.6v。

然而，A/D转换器并不理想，需要移动到下一个更高位置的电
压增量不是一个固定的数字。

DNL通常应为±1 LSB或更小。

DNL性能指数±1 LSB表明可
能存在缺失代码。

a/D代码的丢失会损害测量精度。

2.8最大取样率
系统必须以足够快的速度采样，以便在输入端看到所需的变化。

根据奈奎斯特取样理论，取样速度必须至少是监测变化现象所需速度的两倍。

假设输入信号包含高达1 kHz的
频率，则希望在2 kHz下采样，在3 kHz下采样更可靠。

3、数据采集系统的选择
根据数据采集系统的指标选择采集系统：
3.1数模转换器DAC
数模转换器的功能是将一个数字量转化为一个模拟电压，电流值。

dac的指标很多，
其中关键的有：分辨率和精度。

仅采用二进制位数来说明dac的分辨率是不够准确的。

dac的分辨率应指输入相邻两个数码时，所对应的两个输出模拟量之差。

即分辨率应是电
压值。

因此dac的分辨率在给出二进制位数时还给出典型满度值。

精度指dac实际输出值
与理论计算输出值之差，dac器件精度由生产厂家给出，通常在+q/2和+q（q为量化电平）范围内。

建立时间，由输入数字量变化至输出模拟量稳定到最终值的+lsb/2（lsb指最底
有效位）内的时间。

当dac的输入数码由全0变为全1时，是要求建立时间最长的一种情况。

dac在电流输出时建立时间为50~500μs，电压输出时建立时间1~10μs，主要受输出放大器限制。

3.2 ADC
adc的任务是将一个模拟输入信号电压转换为数字信号，能接受的一个n位二进制数。

adc的特性参数与dac特性参数类似，不同点在于adc输出的是数字码，因此分辨率，精
度等参数均应随之改变。

下面列出了几种模数转换器：① V并行（快速）ADC。

目前，单片并行ADC的分辨率
一般为6位、8位或10位，其有效转换率高达每秒1000万次；② 双斜积分ADC测量信号的平均值，具有很强的抑制正常噪声的能力。

分辨率高，但转换率低，一般只有数十万次
/秒；③ 逐次逼近ADC，它使用二分法比较输入电压，仅能完成n位转换n次。

10位ADC
转换速度快，转换时间小于10μs④ V-F转换器（慢速转换器），是一种特殊的类似转换器。

这可以看作是双斜积分ADC电路的变形。

它适用于输入动态范围达到几十分贝或输入
信号需要远距离传输的情况。

其基本原理是电荷平衡。

3.3模拟多路开关
在同时使用多个传感器的数据采集系统中，模拟多路复用器通常使用通用的模数转换器。

也就是说，使用分时占用模数转换器，模拟多路复用器依次在采集的传感器信号和模
数转换器之间切换通道。

开关特性：A.可靠性高，平均使用寿命长；b、该开关具有良好的特性，具有高导通电阻和高关断电阻Roff比；c、它能承受高压冲击。

下面列举几种开关，如电磁开关（继电器、步进开关等便于遥控，开关驱动一接点完全隔离，可承受高电压，较大电流。

使用最多的是干簧管继电器）、电子式模拟开关（分为双极性晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关，电子式模拟开关特点是采样速度高）。

模拟多路开关的基本配置方式有：单端式；伪差动配置；差动配置。

3.4采样保持电路Sha
实际的模数转换器模拟量化的过程需要一定的时间，在这个转换时间内保持采样点的数值不变才能保证转换精度，对于动态信号要做到采样值不变，需要使用采样保持电路sha，特别是逐次比较式adc。

sha最主要的参数sha的孔径时间。

即sha实际从采样到转入保持状态所需要的时间。

sha主要用在adc的前端，使adc在捕捉瞬间像sha的孔径时间一样快。

因此sha的捕孔径时间就是数据采集系统的孔径时间。

Sha的另一个重要参数是输出电压的下降率，它描述了Sha的保持性能。

如果孔径时间要求很小，则保留性能将不可避免地下降。

应根据设计指标选择数据采集系统中Sha的配置方式。

当采集速度较低时，在模拟开关和ADC之间放置Sha变得很常见。

这种方法是最经济的。

每个通道的采集时间由多通道开关的切换时间、Sha的采集时间、放大器建立时间和ADC转换时间决定。

当采集速度较高时，可以考虑为每个模拟信号使用一个Sha，当采集速度较高时，也可以为每个模拟信号使用一个ADC。