数据采集系统基本组成
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➢ 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。
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
I 2 Id n 14 Id n 2 L2 n I 1d 12 Ind 0
输出模拟电压为
II
II
U O I R R (2 d n 1 4 d n 2 L 2 n 1 d 1 2 n d 0 )
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。
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。
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
d0 d1 d2
dn-2 dn-1
R
S0 S1 S2
II
II
2n 2n
2n-1 2n-2
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R
RRR
R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Βιβλιοθήκη Baidu
Sn-2 Sn-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。
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，
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。
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。
Ii
20lgVimax Vimin
➢ 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 20lg Af max
Af min
数据采集系统的主要性能指标
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 ... 10% 0 A12 A22 A32 ...
➢ A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
Uo
S n-1
I
21
I
21 2R V REF
2R A I
d0 d1 d2
I
2n 2R
2R// 2R=R
S0 S1 S2
I
II
2n
2n-1 2n-2
2R 2R 2R
R
R
R
R+R=2R
dn-2 dn-1
R
Iout1
A
Uo
Iout2
Sn-2 Sn-1
II
22
21
2R 2R
R
R
VREF
I
I
VREF R
可写出 I 的表达式
• 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。 ✓ 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
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
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。
➢ “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：
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。
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。
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
I 2 Id n 14 Id n 2 L2 n I 1d 12 Ind 0
输出模拟电压为
II
II
U O I R R (2 d n 1 4 d n 2 L 2 n 1 d 1 2 n d 0 )
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。
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。
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
d0 d1 d2
dn-2 dn-1
R
S0 S1 S2
II
II
2n 2n
2n-1 2n-2
2R 2R 2R 2R
2R// 2R=R
RRR
R+R=2R
所以流入节点A的电流
Iout1
A Iout2
Βιβλιοθήκη Baidu
Sn-2 Sn-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。
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，
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。
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。
Ii
20lgVimax Vimin
➢ 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 20lg Af max
Af min
数据采集系统的主要性能指标
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 ... 10% 0 A12 A22 A32 ...
➢ A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
Uo
S n-1
I
21
I
21 2R V REF
2R A I
d0 d1 d2
I
2n 2R
2R// 2R=R
S0 S1 S2
I
II
2n
2n-1 2n-2
2R 2R 2R
R
R
R
R+R=2R
dn-2 dn-1
R
Iout1
A
Uo
Iout2
Sn-2 Sn-1
II
22
21
2R 2R
R
R
VREF
I
I
VREF R
可写出 I 的表达式
• 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。 ✓ 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
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
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。
➢ “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：
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。