第6章数据采集技术

第六章数据采集技术

对于智能仪器来讲，输入的信号大多数是模拟信号，而且模拟信号处理要比数字信号复杂的多。模拟信号的输入也叫做数据采集系统。由于许多内容，在前边相关课程中已经学过，如放大电路，A/D转换等，所以有的内容不讲或者讲些实例，或讲一些使用的内容。

第一节输入信号的形式

模拟信号是比较复杂的，由传感器输出的信号，大多数是mV级的电压信号，如应变仪，热电偶等；也有信号较强的。

许多传感器输出的是0－20mA或4－20mA的电流信号，因为电流对辐射噪声和引线电阻上的压降不敏感，信号可以传输较远的距离。（为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中

盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。）

一般是将电压信号转变为电流信号，在进入微处理器以前，还得变成电压信号。变换的方法：

1.无源I/V变换

最简单的是用精密电阻，如

用250Ω的精密电阻，可以将4

－20mA转换成1－5V。

无源I/V变换电路是利用无

源器件—电阻来实现，加上RC

滤波和稳压二极管限幅等保护。

右图为0－10mA转变成0－5V的

电路，

对于0- 10 mA输入信号，可取R1=100Ω，R2＋RP=500Ω，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压

就为0 -5 V范围，RP用于调整输出电压值。

该方法提供的电流较小。要求信号输出时阻抗很大，即输出电流几乎为零。要求后面的电路输入阻抗很大。

2. 有源I/V变换

有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成，如图所示。利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。该

同相放大电路的放大倍数为：

A=1+R4/R3

若输入电流I 的0－10 mA，R1=200Ω，由R1将电流变成0－2V电压,取R3=100kΩ，R4=150kΩ，就对应电压输出V的0－5 V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4－20 mA的输入电流对应于1－5 V的电压输出。R5不影响放大倍数，对输出

电流进行限制的。

3、采用专用

芯片进行转换；

专用芯片有

ISO-A4-P3-05、RCV420等。

RCV420可以将4－20mA信号转换成0－5V 电压信号。

也有电压/电流转换芯片，如AD693，MAX472等。

第二节、数据采集系统的方案

模拟信号输入通道的作用是将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤波、放大、采样保持、模／数转换之后，输入微处理器中。完整的模拟信号输人通道由滤波器、放大器、采样／保持器、模／数转换器等组成。

模拟信号输入通道的工作方式有以下5种，实际应用中选用哪种输入方式，应根据系统的要求决定。

单通道不带采样／保持器的A／D转换

这种电路适合于输入信号变化缓慢的场合，其转换速度一般，方框图如图所示。

单通道带采样／保持器的A ／D 转换

这种转换电路的转换精度很高，速度快，适合于高精度的数字转换电路。

抗混叠滤波：按香农采样定理，要求采样频率ωs 大于2倍的信号频率ωm ，即2s m ωω>，信号频率ωm 应该是带限频率，即在（-ωm ，ωm ）是有限值，以外为0，否则将会发生混叠，混叠信号无法用数字滤波的办法滤波，只能用硬件滤波。

多通道A／D转换

每个通道都带有自己的采样／保持器以及放大器、滤波器、A／D转换电路。

每个通

道可以独

立工作，相

互不影响，

采集速度

快，占用资

源多。

多通道共享A／D转换

这种采样输入形式，共用A/D转换部分，可以同时采集信号。但一个时间段只能有一路信号进行转换。适合于多种信号的转换精度、转换速度要求不是太高的场合，它占用CPU的输入口较少，CPU对每个通道的访问，可以由软件决定，也可以由硬件决定，是一种比较经济的工作方法。

多通道共享采样／保持器与A／D转换器

注意：为了减少噪声，一般将放大放在滤波的前面。前面的电路也应该如此。

这种方式A／D转换和CHA共用，输入方式适合于对同一信号不同量程的A／D转换，它也比较经济，占用CPU端口

少，可

以简化

单片机

系统，

不能同

时采集

信号。

第三节、传感器的选用

传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。

1、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（变化幅度范围、变化频率范围）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 ( 一般应优于系统精度的十倍左右 ) ，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。

2、传感器的选用

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、相应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。

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。好多大信号实际上是小信号在传感器中放大。

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