4.1 数据采集系统

第四章数据采集系统数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要分支，它不仅应用在智能仪器中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛的应用，无论是过程控制、状态监测，还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。§4.1数据采集系统的组成§4.2采样保持器§4.3数据采集系统设计1§4.4数据采集系统设计2第四章数据采集系统一、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§4.1数据采集系统的组成课本190，198－199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（DataAcquisitionSystem,简称DAS）一、数据采集的定义和工作过程数据采集的定义：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。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。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。（2）、多通道数据采集系统集中采集式—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。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。分散采集式（多通道并行数据采集系统）分散采集式数据采集结构特点：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。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。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。四、模拟信号调理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。(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。(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。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取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。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。3、信号调理通道中的常用放大器在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。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。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-aliasingFilter）,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。