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及选择

1.1定义

数据采集的英文为 Data Acquisition，所以也简称为 DAQ。数据采集就是指从传感器和其它待测设备等中自动采集物理信号或者电信号，并送到上位机中进行分析，处理的过程。与传统的测量系统相比，基于 PC 的 DAQ 系统利用行业标准计算机的处理、存储、显示能力，提供更强大、更加灵活，并且更具性价比的测量解决方案。一个典型的数据采集系统系统由信号或者传感器、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

在现代的工业和科研中，数据采集系统无处不在，它们在测量显示、数据记录、工业监控、自动化测试、原型设计等领域都有着广泛应用。

二、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通道数

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分辨率

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精度

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：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，则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。称采样频率的一半为奈魁斯特频率（fn=fs/2） 1）如果要采集的信号中，包含的频率分量高于奈魁斯特频率时，则这些高出的频率分量将混入低于奈魁斯特频率的分量中，这称为“频率混叠”现象。 2）只要被测信号波形中大多数频率分量都低于奈魁斯特频率，并且不使高于奈魁斯特频率的那些频率分量进入采集器，那么数据采样所受的影响就可以降到较低的限度。通常为免除输入信号中杂散分量频率过高对采样的影响，在采样处理前，先使用截止频率为奈魁斯特频率的低通滤波器，使高于奈魁斯特频率的信号不进入系统。

2.5量化噪声

数据采集系统在把模拟信号转变成数字信号的过程中产生了量化噪声。所谓数字信号，是指在时间上和幅值上经过采样和量化的信号。数字信号可用一序列的数来表示，而每一个数又是由有限个数码来表示的。在实际数据采集系统中，数字信号的码位扩展是有限的，因此就必须允许有一定的误差，即量化过程必然要引入这种不定因素。这种不定因素的引入所带来的误差，通常称为量化噪声。在整个误差计算中，必须乘以噪声因数。尽管不希望所有3个误差(偏移、线性度和增益误差)同时都有贡献，但假定它们都不存在，这是危险的。在很多情况下，量化噪声的方差要比噪声的峰值更为重要，因为方差与噪声的平均功率成正比。

2.6孔径时间

在数据采集器应考虑到任何一种模数转换器都要一段时间完成量化与编码工作，模数转换器的转换时间决定于采用的器件和接口的软件。如果在转换时间内，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。将“窗孔”开启

瞬间内的模拟信号量化记录。此“窗孔”称为“孔径时间”T

A ，T

A

一般远小于转换

时间T

CONV

。如果在孔径时间内，输入模拟信号仍在变化，也会引起误差。数据采集时在模数转换器ADC前采用SHA，这相当于在ADC转换时间内开了一个“窗孔”就解决了ADC转换时间长与分辨率要求较短的孔径时间的矛盾。其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。SHA先完成模拟信号的离散化，ADC接着进行离散信号的量化，最终获得所需要的数字信号。

2.7非线性度

非线性度是实际电压的输进丈量曲线和理想的直线之间的差值。非线性误差有两个成分：INL积分非线性和差分非线性(DNL)。在大多数DAQ系统中，INL是重要的性能指标，通常以位表示，表明由电压读数曲线偏离直线所引起的最大误差贡献。DNL描述A/D变换器增加或减少1位所需要的输进电压改变之间的抖动。在理想的变换器中，电压从一个读数增加到下一个较高的读数是相等的，并严格即是系统分辨率。例如，一个10V输进范围的16位系统，每位的分辨率是152.6V。一个理想的变换器每次增加1位数字输出，其输进电压应增加152.6V。然而，A/D 变换器不是理想的，而电压增量所需移到下一个较高位不是一个固定数。DNL通常应该是±1LSB或更小。DNL性能指标±1LSB表明丢失码是可能的。A/D丢失码会损害丈量精度。

2.8最大取样率

系统必须足够快地取样，以便能够看到输入端所需的变化。根据Nyquist取样理论，取样必须至少两倍快速于所希望监控正在变化的现象。假设输入信号包含高达1KHz频率，则希望在2KHz取样，而更可靠的是在3KHz取样。

三、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