数据采集系统基本组成.ppt

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数据采集系统基本组成数据采集系统基本组成l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。

模拟部分和数字部分。

图图1.1数据采集系统硬件基本组成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多通道数据采集系统的几种结构形式l每个通道都有各自独自的采样保持器与每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速进行同步、高速数据采集。

数据采集。

多通道多通道A/D转换转换l各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个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，对各路信号转换器。

通过多路开关分，对各路信号分时进行分时进行A/D转换转换。

能够实现。

能够实现多路信号多路信号的的同步采集同步采集，但采集，但采集速度稍慢。

速度稍慢。

单通道共享单通道共享A/D转换器转换器多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式l各通道公用一个采样保持器和各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。

工作时，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，实现采样保持器中，实现多路信号的分时采集多路信号的分时采集，而，而非同非同步采集步采集。

并且。

并且采集速度最慢采集速度最慢。

优点是。

优点是节省硬件成本节省硬件成本，适于对适于对采集速度要求不高采集速度要求不高的应用场合。

的应用场合。

多通道共享采样保持器与多通道共享采样保持器与A/D转换器转换器数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标1.系系统统分分辨辨率率：

数数据据采采集集系系统统可可以以分分辨辨的的输输入入信信号号的的最最小小变变化化量量。

通通常常用用最最低低有有效效位位值值（LSB）占占系系统统满满刻刻度度信信号号的的百百分分比比表表示示，或或用用系系统统可可分分辨辨的的实实际际电电压压数数值值来来表表示示。

有有时时也也用用信信号号满满刻刻度度值值可可以以划划分分的的级数来表示。

级数来表示。

位数位数级数数1LSB（满度度值的百分数）的百分数）1LSB（10V满度）度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表表1.1系统的分辨率（满度值为系统的分辨率（满度值为10V）数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标2.系系统统精精度度：

当当系系统统工工作作在在额额定定采采集集速速率率下下，每每个个离离散散子样的转换精度。

子样的转换精度。

模数转换器的精度是系统精度的极限值。

模数转换器的精度是系统精度的极限值。

系系统统精精度度是是系系统统的的实实际际输输出出值值与与理理论论输输出出值值之之差差，它它是系统各种误差的总和。

通常表示为满度值的百分数。

是系统各种误差的总和。

通常表示为满度值的百分数。

3.采采集集速速率率（系系统统通通过过速速率率、吞吞吐吐率率）：

在在满满足足系系统统精精度度指指标标的的前前提提下下，系系统统对对输输入入模模拟拟信信号号在在单单位位时时间间内内所所完完成成的的采采样样次次数数，或或者者说说是是系系统统每每个个通通道道、每每秒秒钟钟可采集的子样数目。

可采集的子样数目。

“采集采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。

传输、存储等过程。

采集速率的倒数是采样周期。

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与最小幅值与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：

之比的分贝数，动态范围：

瞬瞬时时动动态态范范围围：

对对大大动动态态范范围围信信号号的的高高精精度度采采集集时时，某某一一时时刻刻系系统统所所能能采采集集到到的的信信号号的的不不同同频频率率分分量量幅幅值值之之比比的的最最大大值值，即即幅幅值值最最大大频频率率分分量量的的幅幅值值Afmax与与幅幅度度最最小小频频率率分分量量的的幅幅值值Afmin之之比比的的分分贝贝数数。

瞬瞬时时动态范围：

动态范围：

数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标5.非非线线性性失失真真（谐谐波波失失真真）：

给给系系统统输输入入一一个个频频率率为为f的的正正弦弦波波时时，其其输输出出中中出出现现很很多多频频率率为为kf（k为为正正整整数数）的的新新的的频频率率分分量量的的现现象象，称称为为非非线线性性失失真真。

谐谐波波失失真真系系数数用用来来衡衡量量系系统统产产生生非非线线性性失失真真的的程程度度，它它通通常用下式表示：

常用下式表示：

A1为基波振幅，为基波振幅，Ak为第为第k次谐波的振幅。

次谐波的振幅。

微弱信号检测方法微弱信号检测方法l提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：

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。

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。

取信号。

l对传感器的基本要求是：

测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪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。

弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。

填空：

填空：

16*1=16判断判断6*1=6简答答6*6=36分析分析10+10+10+12=12分分放大器放大器l使用测量放大器的原因：

弱信号、强干扰；动态范围宽，共模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。

干扰电压大。

目的：

检测叠加在高共模电压上的微弱信号。

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、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。

闭环增益稳定性高。

l分类：

分类：

l技术指标：

技术指标：

放大倍数：

放大倍数：

AU、AUS、Ai、Ais输入阻抗：

输入阻抗：

Ri=U0/Ii输出阻抗输出阻抗通频带通频带混频偏差混频偏差l采采样率率过低的低的结果是果是还原信号的原信号的频率看上去与原始信率看上去与原始信号不同。

号不同。

这种信号畸种信号畸变叫做混叠（叫做混叠（alias）。

出）。

出现的混的混频偏差（偏差（aliasfrequency）是）是输入信号的入信号的频率和最靠率和最靠近的采近的采样率整数倍的差的率整数倍的差的绝对值。

采采样频率率fs是是100HZ信号信号调理理l信号信号调理能理能够在信号、在信号、传感器、感器、DAQ板卡和板卡和PC机之机之间提供接提供接口。

通常的信号口。

通常的信号调理理类型包括：

放大、隔离、型包括：

放大、隔离、滤波、激励、波、激励、线性化等。

性化等。

A所以流入所以流入节点点A的的电流流所以流入相所以流入相邻左左侧节点的点的电流依次减半。

流依次减半。

倒倒T型型电阻解阻解码网网络D/A转换器器l倒倒T型型电阻网阻网络是集成是集成DA转换器中采用最多的一种。

从器中采用最多的一种。

从节点点A向左看，每个向左看，每个节点等效点等效电阻均阻均为2R。

可写出可写出的表达式的表达式输出模拟电压为输出模拟电压为于是输出电压于是输出电压与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。

与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。

而而多通道采多通道采样方式方式1.循循环采采样：

只采用一个：

只采用一个A/D芯片，通芯片，通过多路多路转换开关开关实现不同不同通道的切通道的切换；通道；通道转换时间造成多通道不能同造成多通道不能同时采采样；可以；可以通通过外加采外加采样/保持保持电路保路保证采采样的同步。

的同步。

2.同步采同步采样：

每个通道采用独立的放大器和采：

每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及保持器以及A/D转换器，不同通道采用同一器，不同通道采用同一时钟；保；保证不同通道的采不同通道的采样时间相同（信号同步）；相同（信号同步）；3.突突发模式采模式采样：

采：

采样频率由率由扫描描时钟控制，通道切控制，通道切换时间间隔由通道隔由通道时钟控制。

控制。

数据采集设备的基本结构数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和多通道共享采样保持器和A/D转换器转换器多通道同步型数据采集系通多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统分布式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被测信号与数据采集设备之间的连接l电压信号可以分信号可以分为接地和浮接地和浮动两种两种类型。

型。

接地信号：

将信号的一端与系接地信号：

将信号的一端与系统地地连接起来，如大地或建筑物接起来，如大地或建筑物的地。

因的地。

因为信号用的是系信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。

地，所以与数据采集卡是共地的。

浮浮动信号：

一个不与任何地（如大地或建筑物的地）信号：

一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的接的电压信号称信号称为浮浮动信号，浮信号，浮动信号的每个端口都与系信号的每个端口都与系统地独立。

地独立。

常常见的浮的浮动信号有信号有电池、池、热电偶、偶、变压器和隔离放大器。

器和隔离放大器。

测量系量系统可以分可以分为差分（差分（Differential）、参考地）、参考地单端（端（RSE）、）、无参考地无参考地单端（端（NRSE）三种）三种类型。

型。

l差分差分测量系量系统：

信号：

信号输入端分入端分别与一个模入通道相与一个模入通道相连接。

具接。

具有放大器的数据采集卡可配置成差分有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系量系统。

l一个理想的差分一个理想的差分测量系量系统仅能能测出出（+）和和（-）输入端口之入端口之间的的电位差，完全不会位差，完全不会测量到共模量到共模电压；l实际应用的数据采集卡的共模用的数据采集卡的共模电压的范的范围限制了相限制了相对于于测量系量系统地的地的输入入电压的波的波动范范围；l可以用不同的方式来消除共模可以用不同的方式来消除共模电压的影响。

如果系的影响。

如果系统共模共模电压超超过允允许范范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地的浮地电压，以避免，以避免测量数据量数据错误；l参考地参考地单端端测量系量系统（ReferencedSingle-End，RSE）：

也：

也叫做接地叫做接地测量系量系统，被，被测信号一端接模信号一端接模拟输入通道，另一入通道，另一端接系端接系统地地AIGND。

l无参考地无参考地单端端测量系量系统（NRSE）：

信号的一端接模：

信号的一端接模拟输入入通道，另一端接一个公用参考端，但通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端个参考端电压相相对于于测量系量系统的地来的地来说是不断是不断变化的。

化的。

l几种信号几种信号输入方式的特点入方式的特点差分差分输入入可避免接地回路干可避免接地回路干扰可避免因可避免因环境引起的共模干境引起的共模干扰NRSE可避免接地回路干可避免接地回路干扰RSE最最简单，若信号，若信号满足下列条件，可足下列条件，可选择RSE输入入l若信号若信号满足下列条件，可足下列条件，可选择RSE测量方式：

量方式：

输入信号幅入信号幅值较大，一般需大，一般需1V；连线比比较短，一般短，一般5m；环境干境干扰很小或信号屏