数据采集系统基本组成

数据采集系统基本组成数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图1.1数据采集系统硬件基本组成多通道数据采集系统的几种结构形式每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速数据采集。多通道A/D转换各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集速度稍慢。单通道共享A/D转换器多通道数据采集系统的几种结构形式各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本，适于对采集速度要求不高的应用场合。多通道共享采样保持器与A/D转换器数据采集系统的主要性能指标1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（10V满度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表1.1系统的分辨率（满度值为10V）数据采集系统的主要性能指标2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。采集速率的倒数是采样周期。数据采集系统的主要性能指标4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬时动态范围：minmaxlg20iiiVVIminmaxlg20ffAAI数据采集系统的主要性能指标5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示：A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。%100......2322212322AAAAAH微弱信号检测方法提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪声传感器。分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。•填空：16*1=16判断6*1=6简答6*6=36•分析10+10+10+12=12分放大器使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。分类：技术指标：放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais输入阻抗：Ri=U0/Ii输出阻抗通频带混频偏差采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。采样频率fs是100HZ信号调理信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、线性化等。负载需要交流开关或大电流热电偶电阻温度检测共模或高压应变片信号中有高频噪声放大、线性化、冷端补偿电流激励、线性化。3或4线设置隔离放大器（光隔）电流激励、线性化。3或4线设置低通滤波器SPDT继电器什么态继电器DAQ设备I2R2R2RRRR2R2Rdn-1dn-2ARUod2R2R2n-2I2I1S0S1n-1SSn-2R2n-1I22IVREFd0d12nI2nIS2Iout1Iout2RVIREF2R//2R=RR+R=2RAIA2I1n-1S21I2R2RVREF所以流入节点A的电流所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。倒T型电阻解码网络D/A转换器倒T型电阻网络是集成DA转换器中采用最多的一种。从节点A向左看，每个节点等效电阻均为2R。I2R2R2RRRR2R2Rdn-1dn-2ARUod2R2R2n-2I2I1S0S1n-1SSn-2R2n-1I22IVREFd0d12nI2nIS2Iout1Iout2RVIREF2R//2R=RR+R=2R可写出I的表达式121012422nnnnIIIIIdddd输出模拟电压为O12101()2422nnnnIIIIUIRRdddd于是输出电压10iREF022niindVU与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。RVIREF而O12101()2422nnnnIIIIUIRRddddREFO2nVU)2222(00112211ddddnnnn多通道采样方式1.循环采样：只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步。2.同步采样：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及A/D转换器，不同通道采用同一时钟；保证不同通道的采样时间相同（信号同步）；3.突发模式采样：采样频率由扫描时钟控制，通道切换时间间隔由通道时钟控制。数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和A/D转换器多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统分布式数据采集系统被测信号与数据采集设备之间的连接电压信号可以分为接地和浮动两种类型。接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。•测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压；实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围；可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误；参考地单端测量系统(ReferencedSingle-End，RSE)：也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。无参考地单端测量系统(NRSE)：信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。几种信号输入方式的特点–差分输入•可避免接地回路干扰•可避免因环境引起的共模干扰–NRSE•可避免接地回路干扰–RSE•最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入若信号满足下列条件，可选择RSE测量方式：输入信号幅值较大，一般需1V；连线比较短，一般5m；环境干扰很小或信号屏蔽比较好；所有输入信号都与信号源共地。否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较好的选择输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：对于电池、RTD、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。测量放大器电路原理三运放测量放大器原理图b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。a.运放A1、A2的特性一致性。对电路要求A1A2A3+_b1b2+_i––+++–IcuIdu2Ou5R2RGR1R4R3RO1uSROu6R由图可知Gb2b1Icb2IcIdbRuuiuuuuu1134265634)1(OOOuRRuRRRRRuIdGGGO2O1)(uRRRRRRRiuu2121A1A2A3+_b1b2+_i––+++–IcuIdu2Ou5R2RGR1R4R3RO1uSROu6R放大器具有很高的抑制共模信号的能力令输出uO与共模信号uIc无关RRRRR6543IdGOOOOO1uRRRuuuRRuRRRRRu)1()()1(211342656342A1A2A3+_b1b2+_i––+++–IcuIdu2Ou5R2RGR1R4R3RO1uSROu6R2.5测量放大电路⑵抑制共模信号能力总线性能参数总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如8位、16位、32位、64位总线宽度。寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的一个重要参数。数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示。计算公式：总线数据传输率=(总线宽度÷8位)*总线频率总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使源与目的同步。热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。2020/9/21西北农林科技大学电子系31LabVIEW程序的基本构成前面板（frontpanel）；流程框图（blockdiagram）；图标/连结器(icon/connector)。简单的LabVIEW问题IEEE-488总线定义IEEE-488总线由8条双向数据线、3条信号交换线、5条通用控制线和8根地线组成。GPIB总线构成管理总线（5根）挂钩总线（3根）数据总线（8根）仪器A(计算机)控者、讲者和听者功能IEC接口仪器B(激励源)听者功能IEC接口仪器C(数字万用表)讲者、听者功能IEC接口仪器D(打印机)听者职能IEC接口DUT被测设备EOIRENSROIFCATNNDAVNRFDDAVDIO1~DIO8传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址：传送设备命令(7位)，传送地址和数据(8位)。控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息。控制GPIB总线接口状态。总线上的读操作FRAME#信号有效，地址期开始，并在时钟2的上升沿处稳定有效。地址期内，AD[3l:00]线传输一个有效地址，C/BE[3:0]#线传输一个总线命令。数据期从时钟3的上升沿处开始，在此期间，AD[31:00]线传送数据，而C/BE#作为字节使能线指明数据线上当前传输哪几个字节，从数据期开始到传输完成，C/B#始终保持有效。总线上的读操作从设备被地址期内发送的地址选中，提供DEVSEL信号和TRDY#信号，TRDY#在DEVSEL#之后出现。IRDY#号由主设备发出。在IRDY#和TRD