工程测试技术-数据采集系统(第三次作业)

数据采集系统的指标及选择

1.1定义

数据采集的英文为 Data Acquisition，所以也简称为 DAQ。数据采集就是指从传感器和其它待测设备等中自动采集物理信号或者电信号，并送到上位机中进行分析，处理的过程。与传统的测量系统相比，基于 PC 的 DAQ 系统利用行业标准计算机的处理、存储、显示能力，提供更强大、更加灵活，并且更具性价比的测量解决方案。一个典型的数据采集系统系统由信号或者传感器、信号调理硬件、数据采集设备，配置管理软件和应用开发软件组成。

1.2应用

在现代的工业和科研中，数据采集系统无处不在，它们在测量显示、数据记录、工业监控、自动化测试、原型设计等领域都有着广泛应用。

二、数据采集系统的指标

数据采集系统的指标主要有：通道数、分辨率、精度、采样频率、量化噪声、孔径时间、非线性度、最大取样率等。

2.1通道数

所要考虑的是最容易和最明显的性能指标就是系统所需的通道数。系统在很多输入中，至少必须有你所希望测量的信号。首先考虑接口是否具有差分或单端输入。如果差分和单端输入都有，在说明产品通道数时，应加以注明，例如：16通道16位A/D板，都是指单端通道数。差分通道数是单端的一半。习惯上要考虑行业标准。另一项考虑是否要有特别的模拟输入要求。例如，系统所用的传感器对环境温度非常敏感，而且是在室外环境下，进行精确测量时，必须测量传感器处的温度。在测量来自热电偶的温度时，至少需要一个输入通道用于冷端补偿。

2.2分辨率

模拟输入通道的分辨率是指系统可以提供的测量值或范围。用满度信号可以分的级数，满度值的百分数（%FSR）等多种方式表示。与输入范围结合在一起，分辨率决定在输入时，能检测多小的输入变化。为了建立工程单位的分辨率，用分辨率除输入范围。然而，对于10位以上的分辨率，所标定的系统性能，一般忽略误差。

2.3精度

模数转换器ADC的位数（也就是其二进制代码的个数）代表了ADC的动态范围。一定的位数具有一定的量化精度。尽管精度经常等同于分辨率，但它们不是相同的性能指标。仅仅因为一个模拟输入系统可以分辨1V信号，但这不意味着输入是精确到1V。反之是可能的。记住，高分辨率总能保证高精度。模拟输入系统的主要误差贡献是输入偏移、增益误差、非线性度和固有的系统噪声。偏移、增益、积分非线性(INL)与输入噪声性能指标结合起来计算总输入精度。

2.4采样频率

采样定理指出：信号本身的频带是有限的，而采样频率又大于等于两倍信号所包含的最高频率，则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。称采样频率的一半为奈魁斯特频率（fn=fs/2） 1）如果要采集的信号中，包含的频率分量高于奈魁斯特频率时，则这些高出的频率分量将混入低于奈魁斯特频率的分量中，这称为“频率混叠”现象。 2）只要被测信号波形中大多数频率分量都低于奈魁斯特频率，并且不使高于奈魁斯特频率的那些频率分量进入采集器，那么数据采样所受的影响就可以降到较低的限度。通常为免除输入信号中杂散分量频率过高对采样的影响，在采样处理前，先使用截止频率为奈魁斯特频率的低通滤波器，使高于奈魁斯特频率的信号不进入系统。

2.5量化噪声

数据采集系统在把模拟信号转变成数字信号的过程中产生了量化噪声。所谓数字信号，是指在时间上和幅值上经过采样和量化的信号。数字信号可用一序列的数来表示，而每一个数又是由有限个数码来表示的。在实际数据采集系统中，数字信号的码位扩展是有限的，因此就必须允许有一定的误差，即量化过程必然要引入这种不定因素。这种不定因素的引入所带来的误差，通常称为量化噪声。在整个误差计算中，必须乘以噪声因数。尽管不希望所有3个误差(偏移、线性度和增益误差)同时都有贡献，但假定它们都不存在，这是危险的。在很多情况下，量化噪声的方差要比噪声的峰值更为重要，因为方差与噪声的平均功率成正比。

2.6孔径时间

在数据采集器应考虑到任何一种模数转换器都要一段时间完成量化与编码工作，模数转换器的转换时间决定于采用的器件和接口的软件。如果在转换时间内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差。将“窗孔”开启

瞬间内的模拟信号量化记录。此“窗孔”称为“孔径时间”T

A ，T

A

一般远小于转换

时间T

CONV

。如果在孔径时间内，输入模拟信号仍在变化，也会引起误差。数据采集时在模数转换器ADC前采用SHA，这相当于在ADC转换时间内开了一个“窗孔”就解决了ADC转换时间长与分辨率要求较短的孔径时间的矛盾。其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。SHA先完成模拟信号的离散化，ADC接着进行离散信号的量化，最终获得所需要的数字信号。

2.7非线性度

非线性度是实际电压的输进丈量曲线和理想的直线之间的差值。非线性误差有两个成分：INL积分非线性和差分非线性(DNL)。在大多数DAQ系统中，INL是重要的性能指标，通常以位表示，表明由电压读数曲线偏离直线所引起的最大误差贡献。DNL描述A/D变换器增加或减少1位所需要的输进电压改变之间的抖动。在理想的变换器中，电压从一个读数增加到下一个较高的读数是相等的，并严格即是系统分辨率。例如，一个10V输进范围的16位系统，每位的分辨率是152.6V。一个理想的变换器每次增加1位数字输出，其输进电压应增加152.6V。然而，A/D 变换器不是理想的，而电压增量所需移到下一个较高位不是一个固定数。DNL通常应该是±1LSB或更小。DNL性能指标±1LSB表明丢失码是可能的。A/D丢失码会损害丈量精度。

2.8最大取样率

系统必须足够快地取样，以便能够看到输入端所需的变化。根据Nyquist取样理论，取样必须至少两倍快速于所希望监控正在变化的现象。假设输入信号包含高达1KHz频率，则希望在2KHz取样，而更可靠的是在3KHz取样。

三、数据采集系统的选择

根据数据采集系统的指标选择采集系统：

3.1数模转换器 DAC

数模转换器的功能是将一个数字量转化为一个模拟电压，电流值。DAC的指标很多，其中关键的有：分辨率和精度。仅采用二进制位数来说明DAC的分辨率是不够准确的。DAC的分辨率应指输入相邻两个数码时，所对应的两个输出模拟量之差。即分辨率应是电压值。因此DAC的分辨率在给出二进制位数时还给出典型满度值。精度指DAC实际输出值与理论计算输出值之差，DAC器件精度由生产厂家给出，通常在+Q/2和 +Q（Q为量化电平）范围内。建立时间，由输入数字量变化至输出模拟量稳定到最终值的+LSB/2（LSB指最底有效位）内的时间。当DAC的输入数码由全0变为全1时，是要求建立时间最长的一种情况。DAC 在电流输出时建立时间为50~500μs ，电压输出时建立时间1~10μs，主要受输出放大器限制。

3.2模数转换器 ADC

ADC的任务是将一个模拟输入信号电压转换为数字信号，能接受的一个n位二进制数。ADC的特性参数与DAC特性参数类似，不同点在于ADC输出的是数字码，因此分辨率，精度等参数均应随之改变。

下面列举几种模数转换器：①v并行（快速）ADC，目前应用的单片并行ADC 的分辨率一般为6位，8位或10位，其有效转换率以达1~10千万次秒；②双斜积分式ADC，测量信号的平均值，对常态噪声提供了很强的抑制能力。分辨率高，但转换速率较低，一般只有几十万次/秒；③逐次逼近式ADC，此种ADC采用对分法对输入电压比较，只需n次就能完成n位转换。速率较快，10位ADC的转换时间可小于10μS；④V—f转换器（慢速的转换器），它是一种特殊类似的转换器。可以认为是双斜积分式ADC电路的变形。适用于输入动态范围达数十分贝或输入信号需要远距离传输的场合，其基本原理是电荷平衡。

3.3模拟多路开关

模拟多路开关在数据采集系统中，同时使用多个传感器的场合中，常使用公共的模数转换器。即采用分时占用模数转换器，利用模拟多路开关，轮流切换各被采集的传感器信号与模数转换器的通路。开关特性：a、可靠性高、平均寿命长；b、开关特性好，接通时电阻 Ron,断开电阻Roff 比值大；c、可承受高电压冲击。

下面列举几种开关，如电磁开关（继电器、步进开关等便于遥控，开关驱动一接点完全隔离，可承受高电压，较大电流。使用最多的是干簧管继电器）、电子式模拟开关（分为双极性晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关，电子式模拟开关特点是采样速度高）。模拟多路开关的基本配置方式有：单端式；伪差动配置；差动配置。

3.4采样保持电路 SHA

实际的模数转换器模拟量化的过程需要一定的时间，在这个转换时间内保持采样点的数值不变才能保证转换精度，对于动态信号要做到采样值不变，需要使用采样保持电路SHA，特别是逐次比较式ADC。SHA最主要的参数SHA的孔径时间。即SHA实际从采样到转入保持状态所需要的时间。SHA主要用在ADC的前端，使ADC 在捕捉瞬间像SHA的孔径时间一样快。因此SHA的捕孔径时间就是数据采集系统的孔径时间。

SHA的另一个重要参数是输出电压的下降率，这个参数描述了SHA的保持性能。要求孔径时间小，保持性能就必然下降。SHA在数据采集系统中的配置方法要根据设计指标选择。采集速度低的时候，将SHA放在模拟开关与ADC中间成为公用，这种方法最经济。每个通道采集时间由多路开关的开关时间，SHA的采集时间、放大器建立时间和ADC转换时间决定。采集速度要求高时可考虑每个模拟信号使用一个SHA，速度更高时还可一个模拟信号使用一个ADC 。