数据采集系统.

集中采集式—多路同步采集分时输入 （多通道同步型数据采集系统）
• 工作过程：各路信号共用一个A/D转换器， 但每一路通道都有一个采样保持器，可以 在同一个指令控制下对各路信号同时采样， 得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟 开关分时的将各路采样保持器输出信号接 到A/D转换器上进行模数转换。 • 特点：各路信号必须串行的在共用的A/D转 换器中进行转换，因此这种结构的速度仍 然较慢。
二、数据采集系统的基本功能
① 时钟功能。确定数据采样周期，同时也能为系统 提供时间基淮。 ② 数据采集。将现场检测传感器送来的模拟电信号 按一定的次序巡回的采样、进行A／D转换并存储 数据，即完成数据的采集。 ③ 信号处理。
模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理
④ 数据存储。
⑤ 显示和打印输出。
（2）、 多通道数据采集系统
实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物 理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模 拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电 路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输 入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。 利用多路模拟开关让多个被测对象共用同一个
采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。
传感器的选用 、信号调理通道中的常用放大器 信号调理中的抗混叠滤波器
一、数据采集的定义和工作过程
数据采集的定义：
数据采集是指将温度、压力、流量、位移 等模拟量进行采集、量化转换成数字量后， 以便由计算机进行存储、处理、显示或打 印的过程。相应的系统即为数据采集系统 （Data Acquisition System,简称DAS）
象。混叠的结果是：原来的高频信号将被误认为是某
种相应的低频信号。
消除混叠的措施： （1）、提高采样频率，在工程实际应用中，采样频率至 少为信号最高频率的7-10倍。采样频率不易过高，增加 计算负担。 （2）、应用AF（Anti-aliasing Filter）,抗混叠滤波 器，降低信号中的最高频率。从理论上讲，由于抗混叠 滤波器的非理想特性，信号中高频分量不可能完全衰 减，因此不可能彻底消除混叠。 抗混叠滤波器： • 低通滤波器、集成低通滤波器芯片。 • 如果采样频率与信号中最高频率成分满足采样定理， 可以不用抗混叠滤波器 。
一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步： （1）数据采集
采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信
号，然后送入计算机。
（2）数据处理
根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需
的数据。
（3）处理结果的复现与保存
将处理后的结果在绘图仪、电平记录仪上显示出来，或者 将数据存入磁盘形成文件保存起来，或通过线路进行远距离 传输。
分散采集式
(b) 网络式数据采集结构
2）输出通道的一般结构
（1）输出通道的作用
是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送 给被测对象的数据通路。
（2）输出通道一般结构
取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所示。
（3）输出数据的形式
数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量，它
们可直接用于开关量、数字量控制系统及频率调制系统。 模
拟量控制系统，则应通过数/模转换（D/A）将其变换成模拟 量信号。
四、模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务较复杂， 除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放 大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、 温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作 统称为信号调理，相应的执行电路统称为信号 调理电路。
(二) 可供选用的传感器类型
对于一种被测量，常常有多种传感器可以测 量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热 电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感 器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测 量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应 侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进
行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
有测量精度高、抗干扰能力强、便于远
距离传送等优点。
频率量及开关量输出传感器的使用
3）. 集成传感器：集成传感器是将传
感器与信号调理电路做成一体。例如， 将应变片、应变电桥、线性化处理、电 桥放大等做成一体，构成集成压力传感 器。采用集成传感器可以减轻输人通道
的信号调理任务，简化通道结构。
4）. 光纤传感器：这种传感器其信号拾
分散采集式
(a)分布式单机数据采集结构
（多通道并行数据采集系统）
特点：
每个通道都有独自的采样保持器和A/D转换器， 各个通道的信号可以独立采样和A/D转换器。 转换的数据可经过接口电路直接送至计算机 中，数据采集的速度快 。 多通道并行数据采集系统所用的硬件多、成 本高。这种结构形式适用于高速系统、分散 系统以及多通道并行数据采集系统。
取、变换、传输都是通过光导纤维实现 的，避免了电路系百度文库的电磁干扰。在信
号输入通道中采用光纤传感器可以从根
本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
2、前置放大器
多数传感器输出信号都比较小，必须
选用前置放大器进行放大。 放大器要“前置” , 放大器设置在滤波
器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
即 提高了电路接收弱信号的能力。
1）. 大信号输出传感器 :为了与A/D输入要求
相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专 门与A/D相配套的大信号输出传感器。
2）. 数字式传感器：数字式传感器一般
是采用频率敏感效应器件构成，也可以 是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，
或模拟电压输入经 V/F转换等，因此，数
字量传感器一般都是输出频率参量，具
(一) 对传感器的主要技术要求
1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功
能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。
2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求
而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整
机要求。 3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如 耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干 扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
集中采集式— 多路分时采集分时输入 （多通道共享采样/保持器和A/D转换器）
• 工作过程：各路被测参数共用一个采样/保持器和A/D转换 器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接 入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已充分 逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采 样状态进入保持状态，A/D转换器开始进行转换，转换完 毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路 接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实 现对多通道模拟信号的数据采集。 • 特点：结构形式简单，所用芯片数量少，它适用于信号变 化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。如果信号变 化速率慢，也可以不用采样保持器。如果信号比较弱，混 入的干扰信号比较大，还需要使用数据放大器和滤波器。
1、传感器的选用
传感器是信号输入通道的第一道环节，也 是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系 统需要什么样的传感器——系统对传感器的技 术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格 进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。
3、信号调理通道中的常用放大器
（1）、仪用放大器
（2）、程控放大器 （3）、隔离放大器
（1）、仪用放大器
（2）、程控放大器
（3）、隔离放大器
隔离放大器主要用于要求共模抑制比
高的模拟信号的传输过程中，例如输入数
据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而 测试现场的干扰比较大对信号的传递精度 要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入 系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证
系统的可靠性。
隔离放大器是三端口隔离，即输入、输出、电 源的三个“地”是相互隔离的。采用了浮离式设 计，消除了输入、输出端之间的耦合，具有高共 模抑制比、高精度等特点。广泛用于数据采集系 统、生物医疗仪器。
GF289集成隔离放大器
GF289典型接法
4、信号调理中的抗混叠滤波器
采样频率小于最高频率的2倍，会产生频率混叠现象。 频率混叠：时域采样间隔过长，造成频域周期化间隔 不够大时，在重复频率交界处出现的局部互相重叠现
三、数据采集系统的结构形式
数据采集系统的结构要从硬件和软件两方面考虑。 1、数据采集系统的软件 信号采集与处理程序； 运行参数设置程序（采样通道号，采样点数，采 样周期，信号量程范围，放大器增益系数等）； 系统管理程序（主控程序）； 通信程序。
2、数据采集系统的硬件
数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成。 1）输入通道的结构形式 （1）、单通道数据采集系统
第四章 数据采集系统
第四章 数据采集系统
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 数据采集系统的组成 采样保持器 数据采集系统设计1 数据采集系统设计2
§4.1 数据采集系统的组成
一、数据采集的定义和工作过程 二、数据采集系统的基本功能 三、数据采集系统的结构形式
硬件结构、软件结构
四、模拟信号调理