数据采集系统的主要构件

传感器的输出信号

传感器把被测参数的信息作为输 入参数转换为电信号输出。传感 器输出的信号，一般能直接用仪 器、仪表显示或者作为控制信号。 有时需要对这种信号进行再加工。 例如：将微弱信号放大，进行滤 波；将非线性特性曲线线性化， 进行温度补偿等。
温度传感器（1）
测量原理 种类
铜电阻
铂电阻
测温范围（°C） 特征
变压器耦合放大器
AD公司：AD202、AD204、 AD210、AD293等。 BB公司的2B50等。 我国：GF284、GF289（与 AD289功能相近）、B－ GF01等。

光电耦合器、光电耦合放大器


（1）光电耦合器以光电转换原理传输信息， 它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收 并输出端（二次侧）是电绝缘的，从而对地 电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强 的一直电磁干扰的能力，且速度高，价格低， 接口简单。 （2）类型：
P-N结结电压变
半导体二极管 －150～150（Si）
化
灵敏度高,线性 度好，价格低
晶体管特性变化
晶体管
－150～150（Si）
半导体集成电 －40～150 路传感器
温度传感器（2）
测量原理 频率变化 光学变化
种类 压电声表面波传 感器 光学高温计 测温范围（°C） 特性 0～200 900～2000 不接触测量
测量放大器

一般增益范围在1－1000可调。 利用屏蔽对噪声进行抑制， 放大微小信号。 例如：美国AD公司AD521、 AD522、AD612
隔离放大器


在有强电或电磁干扰的环境中，为了 防止电网电压或者其他电磁干扰损坏 测量回路，通常在输入通道采用隔离 技术。在生物医疗器械中，为了防止 漏电、高压等对人体的意外伤害，也 常采用隔离技术。 隔离放大器是输入边与输出边电绝缘 的放大器。隔离放大器可分两类：一 类是电磁耦合隔离放大器，也称为变 压器耦合放大器；另一类是光耦隔离 放大器。
2典型的数据采集系统结构
共分四个部分
数据采集系统的组成




1.数据采集器 包括多路开关MUX、测量 放大器 IA、采样保持器 SHA，模数转换器 ADC 等。它的作用是，将多个现场模拟信 号按某种规则(即为某种采样顺序)逐个采集， 再量化后送入微型计算机进行处理。 2.微机接口电路 用来传送数据采集系统运 行所需的数据、状态及控制信号。 3.DAC转换器 计算机输出的数字信号转换 为模拟信号，以实现系统要求的显示、记 录与控制任务。 4.应用软件 在众多的应用场合，多路开关 MUX 之前或之后还要配置滤波、前置放大 等信号调理电路。
不同信号变化的频率不同
采样频率的选择



数字信号是模拟信号在一个特定时刻取 值的转换结果。 香农采样定理指出：如果信号本身的频 带是有限的，而采样频率又大于等于两 倍信号所包含的最高频率，则可以根据 其离散采样值完全恢复出原始信号。 实际上，为了保证信号质量，选用的采 样频率经常大于采样定理所指出的最小 的采样频率，常选用信号最高频率的3倍 到4倍。工程上常取到10倍。
百度文库
根据信号通道的结构方式分类
单通道式 多通道式
2 数据采集系统的结构形式

1．数据收集系统(模拟信号输入子系统)

(1)模式选择 有3种模式供选择
单独采用一个数据采集处理计算机系统,再通过串行 或调制通信，完成采集系统和主控系统间的信息交 换。 模块子系统方式 折衷方案


(2)基本结构和配置
模式3

先用模块板开发，成功后再 根据要求购买集成芯片并用 印刷板来构成灵巧实用的模 拟子系统。
隔离型和非隔离型 集中式和分布式 高速、中速和低速型


根据数据采集系统的控制功能分类
(1)智能化数据采集系统 (2)非智能化数据采集系统

数据采集系统的分类2

根据模拟信号的性质分类
电压信号和电流信号 高电子信号和低电平信号
单端输入(SE)和差动输入(DE)
单极性和双极性
转换时间（速度）


ADC直接对模拟信号进行转换，则应该考虑到任何 一种模数转换器都需要有一小段时间来完成量化及 编码等操作。 模数转换器的转换时间决定于转换的位数、转换的 方法、采用的器件等因素。 如在转换时间TA/D内，输入模拟信号仍在变化，此 时进行量化显然会产生一定的误差。 若在数据采集器的模拟转换器ADC前再加一个取样 保持放大器SHA，这相当于在ADC转换时间内开了一 个窄“窗口”，将此窗孔开启瞬时内的模拟信号以 量化形式记录下来，此窗孔称为“孔径时间”，一 般远小于转换时间。显然，在孔径时间内，输入模 拟信号在变化时进行量化，会引入一定的误差，其 称为“孔径误差”。
－50～150
－200～550
低温、一般、中温
电阻变化
精度中，价低
精度高，价昂 精度最低、灵敏 度高、价廉 测温范围宽、测 量精度高，需要 冷端补偿
热敏电阻
热电效应 （热电偶）
镍铬－铐铜 镍铬－镍硅 铂铑－铂
0～500 （－200～800） 0～800 （－200～1250） 200～1400 （0～1700）
数据采集技术是信息科学的重要分支之一，
应用的领域



在智能仪器、信号检测与处理及工业自动控制 等领域中，都存在着信号的测量与控制问题。 将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、 液位等模拟量转换为数字信号．再收集传送到 算机作进一步处理的过程，即为“数据采集”， 相应的系统即为数据采集系统。 数据采集系统已在工业、农业、气象、医学等 科技部门中获得了广泛应用，尤其是在空间技 术中应用更为普遍和重要。 微型计算机广泛应用于测量和控制，形成各种 各样的通用或专用的微机测控系统，在这些应 用中，数据采集系统是必不可少的。
模式2

这种方法可以节省大量设计和调试工作量， 把精力集中到开发应用软件上，且模块板都 经过周密的设计和广泛的考验，无论在设计 质量、可靠性和抗干扰措施上都是比较完善 的。选用时重点注意连接问题：


一种方法是在刚开始设计系统时采用统一的总线标准，如 STD总线、VXI总线、现场总线等，直接购买和标准总线 相兼容的模块板； 另一种方法是在系统中单独为模拟量输入输出模块配置一 个总线插座，可以选用任意合适的模块扳；或者选用带针 式连接器的模块板，可根据需要将模拟子系统放到景合适 的位置(如靠传感器安放)。实践证明，印刷电路板插座是 系统长时间运行后工作不可靠的重要因素，解决办法是将 连接器改成针式连接器 ( 外加压紧机构，如弹簧、螺旋口 等)。但这种办法的价格偏高．且功能不一定适用。
数据采集系统和外部模拟世界的关系 图
实际的系统可能结构与此不相同。 例如一个集成ADuC812就包含上述框图 中的很多环节。
ADUC812组成
传感器及其应用

为适应不同物理量的检测，目前 已有种类繁多的传感器。这些传 感器分别应用于检测温度、压力、 流量、湿度、位移、长度、速度、 加速度、转速、热量、电压、电 流、真空度、力矩、振幅、频率、 粘度、密度、比重、气体泄漏、 材料的缺陷等。
热辐射
热辐射温度传感 器
100～2000
不接触测量
电容变化
BaSrTi2O3陶瓷
－270～150
温度与电容是 倒数关系
信号调理电路
集成运放 测量放大器 隔离放大器

变压器耦合隔离放大器 光电耦合器、光电耦合放大器

固态继电器
集成运放



传感器或者变送器输出的电信号比较 小，需要经过放大后才能送给A/D转 换器。 现场不同，放大器的工作环境千差万 别，传感器的输出信号大小和输出阻 抗不同，对系统的精度、速度和稳定 要求不同，因而需要各种各样的放大 器。 类型：高输入阻抗、低失调低漂移、 高精度高速、超低噪声、斩波稳零 （CMOS集成电路，超低失调、超低 漂移、高增益、高输入阻抗，性能极 为优越稳定）等。
3 模拟信号的数字化

模拟量转换为数字量要考虑 的问题
信号预处理（抗干扰、放大、
衰减等） 模拟量的量化和数字编码 采样频率的选择 转换时间（速度） 数字化方式选择
模拟量的量化和数字编码



首先应该把采样后的信号，用有限个离散电压近似 取代信号的实际电平．这一过程称为量化。这些离 散电平称为量化电平，而量化后的信号称为量化信 号。 一般采用四舍五入型的均匀量化法将连续信号进行 量化。这种量化方式的相邻量化电平之差为—固定 值，并且按照四舍五入规则进行取舍，从而使采样 值归为某一临近的量化电平。 所谓二进制编码，即利用二进制脉冲的两个状态(有 无脉冲)所编成的码组来代表量化电平，这些码组和 各个量化电平具有一一对应的关系。
第二章 数据采集
主要内容


2.1 数据采集技术 2.2 数据采集系统的结构原理 2.3 数据采集系统的控制结构原 理 2.4 数据采集系统的主要构件 2.5 ADC8XX集成数据采集系统 思考练习题
2.1 数据采集技术 一、数据采集系统的应用
它研究信息数据的采集、存储、处理以及 控制等问题。是以传感器、信号的测量与 处理、微型计算机等高技术为基础而形成 的一门综合应用技术． 应用性很强。随着科学技术的不断发展， 如光纤、超导、人工智能等新技术都将会 应用于数据采集领域，数据采集技术也将 会有广阔的发展及应用前景。
高电平单端输入分时多通道收集结构 低电平差动输入分时多路收集结构 伪同步多通道收集结构 同步多通道收集结构

模式1

规模较大的大型控制系统，模拟 信号采集数量多，而且需要进行 比较复杂的实时处理和分析，为 了减轻中央控制系统的压力，可 以单独采用一个数据采集处理计 算机系统(目前一般不用通用微机， 而用专用微机或小型机，以提高 速度)。再通过串行或调制通信， 完成采集系统和主控系统间的信 息交换。但这种方法耗资巨大， 只适用于综合性的大工程。
保持放大器的作用

数据采集中，在模数转换器ADC前 采用取样保持放大器SHA，解决了 ADC转换时间较长与分辨率要求较 短矛盾，SHA先完成模拟信号的离 散化，ADC接着进行离散信号的量 化，获得所需要的数字信号。
数字化方法的选择

有两种最基本的数字化采样方式可供选 择：实时采样和等效时间采样
“实时采样”的特例为“扫描转换技术”， 又称为闪光转换。这种技术以快速采样的办 法收集信号波形，然后用一段时间成批地处 理所有样本转换。显然属于一种非连续进行 的数字化技术。 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转 换速率。但这种技术要求信号波形是可以重 复产生的。由于波形可以重复取得，故采样 可以用较慢速度进行，采集的样本可以是顺 序的，也可以是随机的。这样可以把许多采 集的样本合成一个采样密度高的波形 。

等效时间采样技术
2.2 数据采集系统的结构原理

数据采集系统一般包括模拟信号的输入 输出通道和数字信号的输入输出通道。 数据采集系统的输入又称为数据的收集， 数据采集系统的输出又称为数据的分配。
1数据采集系统的分类1

根据数据采集系统的功能分类

数据收集、数据分配。
根据数据采集系统适应环境分类

二极管－二极管型（例如：6N137－高速ns级） 二极管－晶体管型（例如：4N25 ，TPL521系列） 二极管－达林顿型（例如：6N38，TPL570） 二极管－TTL逻辑电路型（例如： HCPL3601） 交流输入二极管－晶体管光电耦合器（例如： PC733） 二极管－光激可控硅型（例如：TLP5051L耐压高 －300V，TLP1541（400V）TLP545（500V）， TLP64（600V））：可触发不可关断
光电耦合放大器

光电耦合放大器可以传送和 放大其中混杂有很大的共模 干扰的模拟信号。但是光耦 非线性，且特性随温度变化， 有较大线性失真，温度稳定 性差。
继电器、固态继电器

（1）继电器是输入侧与输出侧之间 电绝缘的有触点的开关器件。 （2）固态继电器（SSR）是一种全 部由固态电子元件（如晶体管、可控 硅、电阻、电容等）组成无触点开关 器件。与普通继电器相比，SSR体积 小，开关速度快，无机械触点，因而 没有机械磨损，不受有害气体腐蚀， 没有机械噪音，耐振动、冲击，使用 寿命长。在通、断时没有火花或者电 弧，有利于防爆、干扰小。易于和计 算机接口。例如（CCJ-1DD）