数据采集系统基本组成教材
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2. 同步采样：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及A/D 转换器，不同通道采用同一时钟；保证不同通道的采样时间 相同（信号同步）；
3. 突发模式采样：采样频率由扫描时钟控制，通道切换时间间 隔由通道时钟控制。
数据采集设备的基本结构
多通道共享采样保持器和A/D转换器
多通道同步型数据采集系通
多通道并行数据采集系统
(u O1
u) O2
(1
R1 R
R 2 )u Id
G
输出uO与共模信号uIc无关
放大器具有很高的抑制 共模信号的能力
R S
b1
+ _
uId
b2
+_uIc
+–A1
u O1
R
R 3
1
R G
i
R
–+A2
2
uO 2
R 5
R 4
u
+–A3
O
R 6
2.5 测量放大电路
⑵抑制共模信号能力
总线性能参数
5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整 数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐 波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度， 它通常用下式表示：
H
A22 A32 ... 100%
A12 A22 A32 ...
数据采集系统基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分。
图1.1 数据采集系统硬件基本组成
多通道数据采集系统的几种结构形式
多通道A/D转换
每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器， 这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速 数据采集。
多通道数据采集系统的几种结构形式
总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如8位、16 位、32位、64位总线宽度。
寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。 总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的
一个重要参数。 数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每
秒最大传输数据量来表示。计算公式： 总线数据传输率=(总线宽度÷8位)*总线频率
“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、 传输、存储等过程。
采集速率的倒数是采样周期。
数据采集系统的主要性能指标
4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围 是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采 集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅 值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：
单通道共享A/D转换器
各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D 转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行 A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集 速度稍慢。
多通道共享采样保持器与A/D转换器
各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时， 通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的 采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同 步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本， 适于对采集速度要求不高的应用场合。
S0
S1
S2
II
II
2n 2n
2n-1 2 n-2
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R R R R R+R=2R
可写出 I 的表达式
I
I
I 2 dn1 4 dn2
输出模拟电压为
d n-2 d n-1
R
Iout1
A
Uo
Iout2
Sn-2 S n-1
II
22
21
2R 2R
R
R
VREF
uId
b2
+_uIc
+–A1
u O1
R
R 3
1
R G
i
R
–+A2
2
uO 2
R 5
R 4
u
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O
R 6
u O
(1
R R
4 3
)
R6 R5 R6
uO2
R4 R3
uO1
R3 R4 R5 R6 R
令
u O
(1
R R
4 3
)
R6 R5 R6
uO2
R4 R3
uO1
参考地单端测量系统(Referenced Single-End，RSE)：也 叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一 端接系统地AIGND。
无参考地单端测量系统(NRSE)：信号的一端接模拟输入 通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对 于测量系统的地来说是不断变化的。
模数转换器的精度是系统精度的极限值。 系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它
是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。 3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精
度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。
256
0.391%
39.1mV
12 4096
0.0244%
2.44 mV
16 65536
0.0015%
0.15 mV
20 1048576
0.000095%
9.53 uV
24 16777216
0.0000060%
0.60 uV
表1.1 系统的分辨率（满度值为10 V）
数据采集系统的主要性能指标
2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散 子样的转换精度。
R S
b1
+ _
uId
b2
+_uIc
+–A1
u O1
R
R 3
1
R G
i
R
–+A2
2
uO 2
R 5
R 4
u
+–A3
O
R 6
由图可知
u b1
u Id
u Ic
u b2
u Ic
i
Hale Waihona Puke Baidu
u b1
u b2
R
G
u O1
u O2
i( R1
R2
R G
)
R1
R2 R
R G
u Id
G
R S
b1
+ _
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R R R R R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Sn-2 S n-1
II
22
21
2R 2R
R
R A I VREF
I VREF R
所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。
Uo
S n-1
I
21
I
21 2R VREF
2R A I
d0 d1 d2
Ii
20 lg Vi max Vi m in
瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，
某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅
值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax
与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬
时动态范围：
I 20 lg Af max
A f min
数据采集系统的主要性能指标
信号中有高频噪声
负载需要交流开关 或大电流
低通滤波器
SPDT继电器 什么态继电器
倒T型电阻解码网络 D/A转换器
倒T型电阻网络是集成DA转换器中采用最多的一种。从节点A 向左看，每个节点等效电阻均为2R。
d0 d1 d2
d n-2 d n-1
R
S0
S1
S2
II
II
2n 2n
2n-1 2 n-2
总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使 源与目的同步。
热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。 即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。 负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。
LabVIEW程序的基本构成
前面板（front panel）； 流程框图（block diagram）； 图标/连结器(icon/connector)。
噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。 用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。
• 填空：16*1=16 判断6*1=6 简答6*6=36 • 分析10+10+10+12=12分
放大器
使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共 模干扰电压大。
目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。
简单的LabVIEW问题
2019/4/27
西北农林科技大学电子系
31
IEEE-488总线定义
IEEE-488总线由8条双向数据线、3条信号交换线、5条通用 控制线和8根地线组成。
仪器A (计算机) IEC 控者、讲者 接口 和听者功能
仪器B IEC (激励源) 接口 听者功能
被
DUT
测 设
备
仪器C (数字万用 IEC
表) 接口
要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声 低、闭环增益稳定性高。
分类： 技术指标： 放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais 输入阻抗：Ri=U0/Ii 输出阻抗 通频带
混频偏差
采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信 号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混 频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠 近的采样率整数倍的差的绝对值。
几种信号输入方式的特点 – 差分输入 • 可避免接地回路干扰 • 可避免因环境引起的共模干扰 – NRSE • 可避免接地回路干扰 – RSE • 最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入
若信号满足下列条件，可选择RSE测量方式： 输入信号幅值较大，一般需>1V； 连线比较短，一般<5m； 环境干扰很小或信号屏蔽比较好； 所有输入信号都与信号源共地。 否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较
差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具 有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。
一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的 电位差，完全不会测量到共模电压；
实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测 量系统地的输入电压的波动范围；
可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模 电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之 间的浮地电压，以避免测量数据错误；
数据采集系统的主要性能指标
1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的 最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统 满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际 电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分 的级数来表示。
位数 级数 1 LSB（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度）
8
dn2
2n2
d1 21
d0
20)
于是输出电压
U 0
VREF 2n
n 1
di 2i
i0
与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。
多通道采样方式
1. 循环采样：只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同 通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以 通过外加采样/保持电路保证采样的同步。
采样频率fs是100HZ
信号调理
信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接 口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、 线性化等。
热电偶
放大、线性化、冷端补偿
电阻温度检测
电流激励、线性化。3或4线设置
共模或高压 应变片
隔离放大器（光隔） 电流激励、线性化。3或4线设置
DAQ设备
I
I
VREF R
I
I
2n1 d1 2n d0
UO
IR
R( I 2
dn1
I 4
dn2
I 2n1
d1
I 2n
d0 )
而 I VREF R
UO
IR
R( I 2
dn1
I 4
dn2
I 2n1
d1
I 2n
d0 )
UO
VREF 2n
(dn1 2n1
A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
微弱信号检测方法
提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法： 从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪
声传感器。 分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中
提取信号。 对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，
好的选择 输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配： 对于电池、RTD、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，
可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。 直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。
测量放大器电路原理
三运放测量放大器原理图
对电路要求
a. 运放A1、A2的特性 一致性。 b. 电阻R3、R4、R5、R6 要精密配合（ R3= R5 、 R4 =R6）。
分布式数据采集系统
被测信号与数据采集设备之间的连接
电压信号可以分为接地和浮动两种类型。 接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物
的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。 浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电
压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。 常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。 • 测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、 无参考地单端（NRSE）三种类型。
3. 突发模式采样：采样频率由扫描时钟控制，通道切换时间间 隔由通道时钟控制。
数据采集设备的基本结构
多通道共享采样保持器和A/D转换器
多通道同步型数据采集系通
多通道并行数据采集系统
(u O1
u) O2
(1
R1 R
R 2 )u Id
G
输出uO与共模信号uIc无关
放大器具有很高的抑制 共模信号的能力
R S
b1
+ _
uId
b2
+_uIc
+–A1
u O1
R
R 3
1
R G
i
R
–+A2
2
uO 2
R 5
R 4
u
+–A3
O
R 6
2.5 测量放大电路
⑵抑制共模信号能力
总线性能参数
5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整 数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐 波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度， 它通常用下式表示：
H
A22 A32 ... 100%
A12 A22 A32 ...
数据采集系统基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分。
图1.1 数据采集系统硬件基本组成
多通道数据采集系统的几种结构形式
多通道A/D转换
每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器， 这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速 数据采集。
多通道数据采集系统的几种结构形式
总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如8位、16 位、32位、64位总线宽度。
寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。 总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的
一个重要参数。 数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每
秒最大传输数据量来表示。计算公式： 总线数据传输率=(总线宽度÷8位)*总线频率
“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、 传输、存储等过程。
采集速率的倒数是采样周期。
数据采集系统的主要性能指标
4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围 是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采 集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅 值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：
单通道共享A/D转换器
各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D 转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行 A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集 速度稍慢。
多通道共享采样保持器与A/D转换器
各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时， 通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的 采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同 步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本， 适于对采集速度要求不高的应用场合。
S0
S1
S2
II
II
2n 2n
2n-1 2 n-2
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R R R R R+R=2R
可写出 I 的表达式
I
I
I 2 dn1 4 dn2
输出模拟电压为
d n-2 d n-1
R
Iout1
A
Uo
Iout2
Sn-2 S n-1
II
22
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2R 2R
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u O1
R
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1
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2
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R 5
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O
R 6
u O
(1
R R
4 3
)
R6 R5 R6
uO2
R4 R3
uO1
R3 R4 R5 R6 R
令
u O
(1
R R
4 3
)
R6 R5 R6
uO2
R4 R3
uO1
参考地单端测量系统(Referenced Single-End，RSE)：也 叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一 端接系统地AIGND。
无参考地单端测量系统(NRSE)：信号的一端接模拟输入 通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对 于测量系统的地来说是不断变化的。
模数转换器的精度是系统精度的极限值。 系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它
是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。 3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精
度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。
256
0.391%
39.1mV
12 4096
0.0244%
2.44 mV
16 65536
0.0015%
0.15 mV
20 1048576
0.000095%
9.53 uV
24 16777216
0.0000060%
0.60 uV
表1.1 系统的分辨率（满度值为10 V）
数据采集系统的主要性能指标
2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散 子样的转换精度。
R S
b1
+ _
uId
b2
+_uIc
+–A1
u O1
R
R 3
1
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i
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–+A2
2
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由图可知
u b1
u Id
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i
Hale Waihona Puke Baidu
u b1
u b2
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u O1
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R1
R2 R
R G
u Id
G
R S
b1
+ _
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R R R R R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Sn-2 S n-1
II
22
21
2R 2R
R
R A I VREF
I VREF R
所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。
Uo
S n-1
I
21
I
21 2R VREF
2R A I
d0 d1 d2
Ii
20 lg Vi max Vi m in
瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，
某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅
值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax
与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬
时动态范围：
I 20 lg Af max
A f min
数据采集系统的主要性能指标
信号中有高频噪声
负载需要交流开关 或大电流
低通滤波器
SPDT继电器 什么态继电器
倒T型电阻解码网络 D/A转换器
倒T型电阻网络是集成DA转换器中采用最多的一种。从节点A 向左看，每个节点等效电阻均为2R。
d0 d1 d2
d n-2 d n-1
R
S0
S1
S2
II
II
2n 2n
2n-1 2 n-2
总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使 源与目的同步。
热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。 即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。 负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。
LabVIEW程序的基本构成
前面板（front panel）； 流程框图（block diagram）； 图标/连结器(icon/connector)。
噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。 用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。
• 填空：16*1=16 判断6*1=6 简答6*6=36 • 分析10+10+10+12=12分
放大器
使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共 模干扰电压大。
目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。
简单的LabVIEW问题
2019/4/27
西北农林科技大学电子系
31
IEEE-488总线定义
IEEE-488总线由8条双向数据线、3条信号交换线、5条通用 控制线和8根地线组成。
仪器A (计算机) IEC 控者、讲者 接口 和听者功能
仪器B IEC (激励源) 接口 听者功能
被
DUT
测 设
备
仪器C (数字万用 IEC
表) 接口
要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声 低、闭环增益稳定性高。
分类： 技术指标： 放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais 输入阻抗：Ri=U0/Ii 输出阻抗 通频带
混频偏差
采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信 号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混 频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠 近的采样率整数倍的差的绝对值。
几种信号输入方式的特点 – 差分输入 • 可避免接地回路干扰 • 可避免因环境引起的共模干扰 – NRSE • 可避免接地回路干扰 – RSE • 最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入
若信号满足下列条件，可选择RSE测量方式： 输入信号幅值较大，一般需>1V； 连线比较短，一般<5m； 环境干扰很小或信号屏蔽比较好； 所有输入信号都与信号源共地。 否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较
差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具 有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。
一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的 电位差，完全不会测量到共模电压；
实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测 量系统地的输入电压的波动范围；
可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模 电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之 间的浮地电压，以避免测量数据错误；
数据采集系统的主要性能指标
1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的 最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统 满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际 电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分 的级数来表示。
位数 级数 1 LSB（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度）
8
dn2
2n2
d1 21
d0
20)
于是输出电压
U 0
VREF 2n
n 1
di 2i
i0
与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。
多通道采样方式
1. 循环采样：只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同 通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以 通过外加采样/保持电路保证采样的同步。
采样频率fs是100HZ
信号调理
信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接 口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、 线性化等。
热电偶
放大、线性化、冷端补偿
电阻温度检测
电流激励、线性化。3或4线设置
共模或高压 应变片
隔离放大器（光隔） 电流激励、线性化。3或4线设置
DAQ设备
I
I
VREF R
I
I
2n1 d1 2n d0
UO
IR
R( I 2
dn1
I 4
dn2
I 2n1
d1
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而 I VREF R
UO
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dn1
I 4
dn2
I 2n1
d1
I 2n
d0 )
UO
VREF 2n
(dn1 2n1
A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
微弱信号检测方法
提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法： 从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪
声传感器。 分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中
提取信号。 对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，
好的选择 输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配： 对于电池、RTD、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，
可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。 直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。
测量放大器电路原理
三运放测量放大器原理图
对电路要求
a. 运放A1、A2的特性 一致性。 b. 电阻R3、R4、R5、R6 要精密配合（ R3= R5 、 R4 =R6）。
分布式数据采集系统
被测信号与数据采集设备之间的连接
电压信号可以分为接地和浮动两种类型。 接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物
的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。 浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电
压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。 常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。 • 测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、 无参考地单端（NRSE）三种类型。