基于LabVIEW实现数据采集.docx
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基于LabVIEW实现数据采集
数据采集专题
一计算机数据采集与分析技术概述
数据采集技术是信息技术的重要组成部分之一。
信息技术主要包括信息获取、传输、处理、存储（记录）、显示和应用等。
信息技术的三大支柱技术是信息获取技术、通信技术和计算机技术、常称为3C技术（即collection、communication、computer）。
其中，信息获取技术是信息技术的的基础和前提，而数据采集技术是信息获取的主要手段和方法，它是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等技术为基础的一门综合应用技术。
数据采集技术所涉及的学科和理论较多。
数据采集主要涉及的学科有测试与仪器科学、信息与通信科学和计算机科学。
其中，测试与仪器科学侧重于信息的获取，信息与通信科学侧重于信息的传输，计算机科学侧重于信息的处理。
信息与信号
1948年维纳（Wiener）在其著作《控制论》中就指出：
“信息既不是物质，也不是能量，信息就是信息”，即提出了“信息”是存在于客观世界的第三要素的著名论断。
美国学者山农（Shannon）第一次系统地给出了信息的定量描述，成功地用数学公式把物质、能量和信息之间的相互作用和依存关系统一了起来。
信息被认为是客观物质世界的灵魂，因为信息反映了事物的运动状态和运动方式。
从这个广义的信息概念出发，引入不同的约束条件，就可以得到不同的具体的定义。
例如，信息可以具体为消息、情报和知识等。
信息本身不是物质，不具有能量，而信号是传输信息的载体，也就是说，信息寓于信号之中。
信号是含有能量的物质，具有可测性。
在数据采集系统中，会把想要获取的信息转换为信号，因此直接采集处理的是信号，而不是信息。
信号与信息不能混为一谈。
信号只是信息的某种形式。
实际的信息中往往包含着多种信息的成分，其中不关心的成分统称为噪声或冗余信息。
在一个具体的数据采集系统里里面，可能要付出较大的代价来设法去除各种噪声，从而获得所要求的信息。
数据采集
数据采集（DataAcquisition）就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。
数据采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。
数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展和普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。
数据采集系统追求的主要目标有两个：
精度和速度。
对任何量值的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度不仅仅可以提高工作效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的使用范围，以便于实现动态测试。
现代数据采集系统具有以下几个特点：
（1）现代数据采集系统一般都含有计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等大为提高，同时显著节省了硬件投资。
（2）软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。
（3）数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相互融合的系统，可以实现从数据采集、处理到控制的全部工作。
（4）速度快，数据采集过程一般都具有实时的特性。
对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。
（5）随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。
（6）总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要的作用。
系统
系统（System）是指由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。
一个系统，对于给定的输入（激励），将会有一个既定的输出（响应）。
系统是一个相对的概念，一个系统的可以分为多个小系统，如何确定系统的边界，取决于系统的结构和研究目的。
例如计算机数据采集系统又可细分为一些较小的子系统，当侧重于研究如何把现实世界的物理信号变为电信号时，应着重研究传感器系统，而当侧重于数字量的计算、处理、存储和显示时，应着重研究计算机系统。
数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。
由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因而数据采集系统又叫做计算机数据采集系统。
计算机数据采集系统包括硬件和软件两部分，其中硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。
计算机数据采集系统的硬件基本组成如图1.1所示。
从图1.1可以看出计算机数据采集系统一般有传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样/保持（S/H）器、模/数（A/D）转换器和计算机系统组成。
图1.1计算机数据采集系统的硬件基本组成
（1）传感器
传感器的作用是把非电的物理量（如速度、温度、压力）转变成模拟电量（如电压、电流、电阻或频率）。
例如，使用热电偶或热电阻可以获得随着温度变化而变化的电压，转速传感器可以把转速转换为电脉冲等。
通常把传感器输出到A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。
（2）前置放大器
前置放大器用来放大和缓冲输入信号。
由于传感器输出的信号较小（如:
常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压的变化只有几个毫伏，人体生物电信号仅是微伏级），因此需要加以放大以满足大多数A/D转化器的满量程输入5~10V的要求。
此外，某些传感器内阻比较大，输出功率小，这样放大器还起到阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。
由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此放大器的种类也很多。
例如，为了减少输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输出的漂移，就产生了斩波稳零和激光修正的精密放大器。
（3）滤波器
传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合的渠道使信号通道感染上噪声，例如，工频信号可以成为一种人为的干扰源。
为了提高模拟输入信号的信噪比，通常需要使用滤波器对噪声信号进行一定的衰减。
（4）多路模拟开关
在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，及所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关来实现，这样可以简化设计，降低成本。
多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道中的某一通道。
因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、模/数转换电路以及处理器电路等，只需一套即可，这样可以节省成本和体积，但这仅适用于物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下。
因为这时可以使用普通的微秒级A/D转换器从容地分时处理这些信号。
但当分时通道较多时，必须注意泄露和逻辑安排等问题，当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对A/D的转换速率要求也随之上升。
在数据通过率超过40~50kHZ时，一般不宜使用分时的多路开关技术。
模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型；如果选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干簧或继电器组成的多路模拟开关导通电阻大、泄漏电流大，因而有较大的误差产生。
所以要根据具体情况来选择多路模拟开关。
（5）采样/保持器
多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持电路和A/D转换电路。
采样/保持电路的作用是加快拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值稳定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持器放在模拟多路开关之前（每道一个），还可实现对瞬时信号同时进行采样。
（6）模/数转换器
采样/保持电路输出的信号送至A/D转换器，A/D转换器是模拟输入通道的关键电路。
由于输入信号变化的速度不同，系统对分辨率、精度、转换速度及成本的要求也不同，因此A/D转换器的种类也比较多。
早期的采样/保持电路和A/D转换电路需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片集成A/D转换器内部正好包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路，这为系统设计提供了较大的方便。
A/D转换器的结果输出给计算机，有的采样用并行码输出，有的则采用串行码输出。
使用串行码输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。
（7）计算机系统
计算机系统是整个数据采集系统的核心。
计算机控制整个计算机数据采集系统的正常工作，并且把A/D转换器输出的结果读入到内存，进行必要的数据分析和处理。
计算机还需要把数据分析处理后的结果写入存储器以备将来的分析和使用，通常还需要把结果显示出来。
计算机系统包括计算机硬件和软件，其中计算机硬件是计算机系统的基础，而计算机软件是计算机系统的灵魂。
计算机软件技术在计算机数据采集系统中发挥着越来越重要的作用。
数据采集系统的主要性能指标
数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环境有着密切关系，对应不同的应用情况往往有不同的要求。
下面是比较常用的的几个指标及其含义。
（1）系统分辨率
系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。
通常可以使用如下几种方法表示系统分辨率：
Ø使用系统所采用的A/D转换器的位数表示系统的分辨率。
Ø使用最低有效位值（LSB）占系统满度值的百分比表示系统的分辨率。
Ø使用系统可分辨的实际电压数值表示系统的分辨率。
Ø使用满度值可以分的级数表示系统的分辨率。
表1.1给出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率
表1.1系统的分辨率
A/D位数
级数
1LSB（满刻度值的百分数/%）
1LSB（满刻度值10V的电压）
8
256
12
4096
16
65536
20
1048576
µV
（2）系统精度
系统精度是指当系统工作在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转换精度。
A/D转换器的精度是系统精度的极限值。
实际上，系统精度往往达不到A/D转换器的精度。
因为系统精度取决于系统各个环节的（子系统）的精度，如前置放大器、滤波器、模拟多路开关等，只有这些子系统的精度都明显优于A/D转换器的精度时，系统精度才能达到A/D转换器的精度。
这里还需要注意系统精度和系统分辨率的区别。
系统精度是系统的实际输出值和理论输出值的比较，它是系统各种误差的总和，通常表示为满度值的百分比。
（3）采集速率
采集速率又称系统通过速率或吞吐率，是指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能完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的有效数据的数量。
这里所说的采集包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输和存储的全部过程。
在时间域上与采集速率对应的指标是采样周期。
采样周期是采样速率的倒数，它表征系统每采集一个有效数据所需要的时间。
（4）动态范围
动态范围是指某个确定的物理量的变化范围。
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。
数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数，即式（1-1）
（1-1）
其中，最大允许输入幅值Umax是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者使A/D转换器发生溢出的最小输入幅值。
最小允许输入幅值Umin一般用等效输入噪声电平来代替。
二数据采集硬件电路
2.1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。
由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，所以设计者只需从现有的传感器产品中正确选择而不必自己另行研制传感器。
对传感器的主要技术要求
下面是对正确选用传感器的主要依据：
（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（一般应优先考虑系统精度的10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。
传感器的类型
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，尽可能选择性价比高的传感器。
下面介绍几种传感器：
（1）大信号输出传感器
为了与A/D转换器的输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D转换器相配套的大信号输出传感器。
通常是把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出0~5V、0~10V或4~20mA的信号。
信号输入通道中应尽可能多选用大信号传感器或变送器。
这样可以省去小信号放大环节，如图2.1所示。
对于大电流输出，只要经过简单的I/V转换即可变为大信号电压的输出。
对于大信号电压可以经A/D转换，也可以经V/F转换送入微机，但后者响应速度较慢。
图2.1大信号传感器的使用
（2）数字式传感器
数字式传感器一般采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数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。
（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入通道的信号调理任务，简化通道结构。
（4）光纤传感器
光纤传感器其信号拾取、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。
对于一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目前还没有现成的传感器可供选用。
一种解决办法是提出要求，找厂家订做，批量小但价格昂贵。
另一种是从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在该传感器前面设计一种敏感器或在该传感器后面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需要的特制传感器。
2.2运用前置放大器的依据
由图2.1可见，采用大信号输出传感器，可以省掉小信号放大器环节。
但是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。
那么判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么呢？
放大器为什么要前置，即设置在调理电路的最前端？
能不能接在滤波器的后面呢？
前置放大器的放大倍数应该多大为好呢？
这些问题都是系统设计时需要考虑的问题。
我们知道，由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。
把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN，即
（2-1）
如果加在该电路输入端的信号幅度VIS小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。
为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器，如图2.2所示。
图中前置放大器的增益为K0，本身的等效输入噪声为VIN0ON为：
（2-2）
图2.2前置放大器的作用
总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为：
（2-3）
假定不设置前置放大器时，输入信号刚好被电路噪声所淹没，即VIS=VIN，加入前置放大器后，为使输入信号VIS不再被电路噪声所淹没，即
，就必须使
，即
即
（2-4）
由式（2-4）可知，为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K0>1，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。
因此调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。
为了减小体积，调理电路中的滤波器大多采用RC有源滤波器，由于电阻元件是电路噪声的主要根源，因此RC滤波器产生的电路噪声比较大。
如果把放大器放在滤波器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降低。
我们可以用图2.3（a）（b）两种情况进行对比来说明这一点。
图中放大器和滤波器的放大倍数分别为K和1（即不放大），本身的等效输入噪声分别为VIN0和VIN1。
图（a）所示调理电路的等效输入噪声为：
（2-5）
图（b）所示调理电路的等效输入噪声为：
（2-6）
图2.3两种调理电路的对比
（a）滤波器后置等效图（b）滤波器前置等效图
对比式（2-5）和式（2-6）可见，由于K>1，所以
，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减小电路的等效输入噪声。
由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输入的最小信号电平。
因此减小电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接受弱信号的能力。
2.3信号调理中的常用放大器
在信号调理电路中，根据被测信号放大的特点和采集电路现场的要求，目前使用较多的放大器有：
仪用放大器、隔离放大器和程控增益放大器等。
（1）仪用放大器
它是一种高性能的放大器，其对称性结构可同时满足对放大器的输入阻抗、抗共模干扰能力、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。
如图2.4所示，A1和A2为两个对称的同相放大器，A3是一个差动跟随器（增益为1）。
可推断仪用放大器的闭环增益为：
（2-7）
由式（2-7）可知：
通过调节电阻Rw，可以很方便的调节仪用放大器的闭环增益，Rw一般为外接电阻。
在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，结合仪用放大器的主要性能指标确定具体的放大电路。
性能指标如下：
✓非线性度：
是指放大器的实际输出---输入关系曲线与理想直线的偏差。
在选择仪用放大器的时候，一定要选择非线性偏差尽量小的仪用放大器。
✓温漂：
是指仪用放大器的输出电压随温度变化而变化的程度。
通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生（1~50）μV/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。
例如：
一个温漂为2μV/℃的仪用放大器，当其增益为1000时，仪用放大器的输出电压产生约20mV的变化。
这个数字相当于12位A/D转换器在满量程为10V的8个LSB值。
所以在选择仪用放大器的时候，要根据所选择A/D转换器的绝对精度尽量选择温漂小的仪用放大器、
✓建立时间：
是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需要的时间。
✓恢复时间：
是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需要的时间。
显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样率。
✓电源引起的失调：
是指电源电压每变化1%，引起的放大器的漂移电压值。
仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据。
✓共模抑制比：
放大器的差模电压增益与共模电压增益之比叫做共模抑制比，即：
国产放大器的共模抑制比在60~120dB之间。
图仪用放大器的基本结构
（2）程控增益放大器
由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
它一般由放大器、控制接口和可变反馈电阻网络组成。
如图2.5所示。
程控增益放大器与普通放大器的区别在于反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号，而控制接口可由外部数字信号控制，这样不同的控制信号产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益。
同时也就解决了大范围输入信号放大的问题。
目前程控增益放大器做成集成电路的形式，如AD524和美国的PGA202/204等。
图程控增益放大器的基本结构
（3）隔离放大器
一般来说，隔离放大器是一种将输入、输出和电源在电流和电阻上进行隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。
其主要应用于要求高共模抑制比的模拟信号的传输过程中，如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，但测试现场干扰比较大，对信号要求高的传递精度，这时可以考虑在信号进入系统前运用隔离放大器进行隔离，来保证系统的可靠性。
在强电场或强磁场等环境下，为防止电网电压对测量回路的破坏，输入信号也可以采用隔离技术。
在一些医疗器械上，为防止高电压、漏电流等对人体的伤害，也经常使用隔离放大器。
光电耦合放大路的基本结构如图2.6所示。
目前隔离放大器中采用的耦合方式有三种：
光耦合、变压器耦合和电容耦合。
利用变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在1kHZ以下。
利用光耦合方式实现载波调制，可获得10kHZ带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。
上述两种方法均需要对差动输入级提供隔离电源，以便达到预定的隔离性能。
图光电耦合放大电路
2.4A/D转换器
A/D转换器（也称ADC）是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但一般情况下，模拟量是指电压而言的。
在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子Q的基本单位来度量。
例如，一个n位二进制数，共有N=2n个离散值，定义基本度量单位Q等于满量程模拟量的1/2n。
由于计算机只能处理数字信号，A/D转换器就是起到把模拟信号转换成数字信号的作用，同时A/D也是采样通道的核心，也是影响数据采集系统的采样速率和精度的主要因素之一。
A/D转换的常用方法有：
逐次逼近型A/D转换、计数式A/D转换、双积分型A/D转换、串/并型A/D转换等。
由于逐次逼近型具有较好的转换精度和较高的转换速度，如逐次逼近型AD574系列具有转换速度快，价格适中，精度高等优点，目前被广泛使用。
逐次逼近型A/D转换器由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、控制逻辑电路和输出缓冲寄存器组成，其原理如图2.7所示。
图2.7逐次逼近型A/D转换器原理
A/D转换器常用的以下几项技术指标来评价其质量水平：
（1）分辨率
ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。
一般都用简单的位数n表示。
亦可以用满量程的百分比表示。
（2）转换时间
A/D转换器完成一次所转换所需的时间定义为A/D转换时间。
转换时间与实现转换所采用的技术有关。
例如，比并行比较型为代表的高速ADC的转换时间为几十纳秒，以逐次逼近型为代表的中速ADC转换时间为几微妙至几十微妙，而以积分型为代表的低速ADC的转换时间为几十毫秒至几百毫秒。
采用同种电路技术的ADC的转换时间与分辨率有关，一般地，分辨率越高，转换时间变长。
（3）精度
时产生半满量程，对应的输出码为。
如果实际上是到范围内的模拟输入都产生这一输出码，则绝对精度为：
（4.997+4.999）/2V-5V=-0.002V=-2mV
相对精度：
定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程之比。
相对精度以%、10-6或LSB的数值来表示。
在上例中，半满量程时的相对精度为0.002V/10V=0.02%=200×10-6
三数据采集系统设计及举例
数据采集系统广泛应用在测量、自动控制等各个领域。
现在虽然有各种数据采集卡、数据采集芯片可供选用，但在许多情况下，它们还不一定适合用户的要求，往往需要按自己的要求设计数据采集系统。
因此，对于电子设计师来说，掌握数据采集系统设计的知识是必要的。
系统设计考虑的因素
数据采集系统的设计要根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素：
（1）输入信号的特性
在输入信号的特性方面主要考虑以下问题：
信号的数量，信号的特点，是模拟量还是数字量，信号的强弱及动态范围，信号的输入方式（单端输入还是差动输入，单极性还是双极性，信号源接地还是浮地），信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗等。
（2）对数据采集系统性能的要求
系统的通过速率，即采集速率，它是设计数据采集系统的重要技术指标，特别是对高速数据采集系统尤为重要。
系统的分辨率，系统的精度。
（3）接口特性
接口特性包括采样数据的输出形式（是并行还是串行输出）、数据的编码格式、与什么数据总线相接等。
A/D转换器的选择要点
A/D转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用A/D转换器是提高数据采
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