数据采集系统的主要性能指标以及如何在测量中选择合适的的数据采集系统

数据采集系统的主要性能指标:

(1)系统分辨率：是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位值(LSB)占系统满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，有时也用满度信号可以分的级数来表示。下图给出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率。

位数级数1LSB

（满度值得百分数）1LSB

（10V满度）

8 256 0.391﹪39.1mV

12 4 096 0.391﹪ 2.44mV

16 65 536 0.0015﹪0.15mV

20 1 048 576 0.000095﹪9.53uV

24 16 777 216 0.0000060﹪0.60uV

(2)系统精度：是指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。实际的情况是，系统精度往往达不到模数转换器的精度，这是因为系统精度取决于系统的各个环节(部件)的精度：如前置放大器、滤波器、模拟多路开关等等。只有这些部件的精度都明显优于A/D转换器精度时，系统精度才能达到A/D的精度。此外，还应注意系统精度与系统分辨率的区别。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：又称为系统通过速率、吞吐率等，是指在满足系统精度指标前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，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，它是采样速率的倒数，它表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。

(4)动态范围：是指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。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max i V 与最小幅值 min i V 之比的分贝数，即 min

max 201i i i V V g I = 式中最大允许输入幅值max i V 是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。最小允许输入幅值min i V 一般用等效输入

噪声电平IN V 来代替。

对大动态范围信号的高精度采集时，还要用到“瞬时动态范围”这样一个概念。所谓瞬时动态范围是指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，即幅度最大频率分量的幅值与幅度最小频率分量的幅值之比的分贝数。若用表示瞬时动态范围，则有min max

201f f A A g I =。

(5)非线性失真：也称谐波失真。当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

%10023222

12322?+++++=

A A A A A H

式中1A ——基波振幅

k A ——第k 次谐波(频率为kf )的振幅。

如何在测量中选择合适的的数据采集系统:

面对市场上众多的数据采集（DAQ ）设备，如何选择最合适的一款呢，首先要了解以下几个问题。

1. 需要测量或生成的信号是什么类型？

2. 需要信号调理吗？

3. 需要以多快的速度采集或生成信号？

4. 需要识别到的信号中最小变化是多少？

5. 需要识别到的信号中最小变化是多少？

对以上提出的问题进行仔细的分析之后才能做出更好的选择。

1. 需要测量或者生成的信号是什么类型？

对于不同类型的信号需要使用不同的测量或生成方式。传感器能够将物理现象转化为可测量的电信号，如电压或电流。同样，也可以生成一个可测量的电信号给传感器，从而产生一个物理现象。因此，了解不同类型的信号和相应的属性非常重要。只有了解了具体应用中的信号类型，才能够着手选择DAQ设备。

DAQ设备有如下功能：1、模拟输入，用于测量模拟信号；2、模拟输出，用于输出模拟信号；3、数字输入/输出，用于测量和生成数字信号；4、计数器/定时器，用于对数字事件迚行计数或产生数字脉冲/信号。

有些DAQ设备仅拥有上述功能中的一种，而多功能DAQ设备则可以实现所有上述功能。一般来讲，DAQ设备通常对于某一功能只提供固定数量的通道，比如模拟输入、模拟输出、数字输入/输出以及计数器等；因此，在考虑购买设备时，需要在当前所需的通道数的基础上再预留一些，这样可在必要时进行更多通道的数据采集。而如果所购买的设备的通道数仅够满足当前需要，则可能在未来新测量应用面前捉襟见肘。

多功能DAQ设备同样也仅有固定数量的通道，但是其功能涵盖模拟输入、模拟输出、数字输入/输出和计数器。多功能DAQ设备可以支持不同类型的I/O，以适应多种应用的需要，这是单一功能的DAQ设备所不具备的。

还可以选择一种模块化的平台，自定义所需具体要求。模块化系统通常包括一个机箱，用于控制定时和同步信号，并控制各种I/O模块。模块化系统的优点是，可以选择不同的模块，每个模块实现其独特的功能，从而可以实现更灵活的配置方式。使用这种方式所构建的系统，其中某个单一功能模块的精度可以相对于多功能DAQ模块更高。另一个优点是，可以根据需要选择插槽数量合适的机箱。一个机箱的插槽数量是固定的，因此在购买机箱时，可以在当前所需插槽数的基础上再预留一些，以备未来扩展。

2. 需要信号调理吗？

一个典型的通用DAQ设备可以测量或生成+/-5V或+/-10V的信号。而对于某些传感器所产生的信号，若直接使用DAQ设备进行测量或生成，则可能比较困难或会有危险。因此，大多数传感器需要对信号进行诸如放大或滤波之类的调理措施，才能使得DAQ设备有效、准确地测量信号。

例如，热电偶的输出信号通常需要放大，才能够使得模数转换器（ADC）的量程得到充分利用。此外，热电偶所测得的信号还可以通过低通滤波消除高频噪声，从而改善信号质量。信号调理所带来的好处是单纯的DAQ系统无法比拟的，它提高了DAQ系统本身的性能和测量精度。表1总结了针对不同类型的传感器和测量应用所需的常见信号调理措施。

表 1. 针对各种传感器和测量应用的信号调理措施

如果所使用的传感器已在表1中列出，那么应该考虑使用相应的信号调理措施。可以选择添加外部信号调理措施，或选择使用具有内置信号调理功能的DAQ 设备。许多DAQ设备还包括针对某些特定的传感器的内置接口，以方便传感器的集成。

3. 需要以多快的速度采集或生成信号？

对于DAQ设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即DAQ设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或软件定时）可达2MS/S。在决定设备的采样率时，需要考虑应用中所需采集或生产信号的最高频率成分。

Nyquist定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量10倍的DAQ设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。

例如，假设的应用程序要测量的正弦波频率为1kHz。根据Nyquist定理，至

少需要以2kHz迚行信号采集。然而，建议使用10kHz的采样频率，从而更加精确地测量或生成信号。图1所示，是对一个频率为1kHz的正弦波分别以2kHz 和10kHz采样率采样时的结果比较。

图1. 对1kHz的正弦波分别以2kHz和10kHz采样率采样时的结果比较一旦确定了所要测量或生成的信号的最高频率分量，就可以选择一个具有合适的采样率的DAQ设备。

4. 需要识别到信号中的最小变化是多少？

信号中可识别的最小变化，决定了DAQ设备所需的分辨率。分辨率是指ADC可以用来表示一个信号的二迚制数的位数。为了说明这一点，试想一个正弦波通过不同的分辨率的ADC迚行采集后所表示的效果会有何不同。图2比较了3位和16位ADC。一个3位ADC可以表示8（23）个离散的电压值，而一个16位ADC可以表示65536（216）个离散的电压值。对于一个正弦波来说，使用3位分辨率所表示的波形看起来更像一个阶梯波，而16位ADC所表示的波形则更像一个正弦波。

图2. 使用16位分辨率与3位分辨率来表示一个正弦波典型的DAQ设备的电压范围为+/-5V或+/-10V。在此范围内，电压值将均匀分布，从而充分地利用ADC的分辨率。例如，一个具有+/-10V电压范围和12位分辨率（212或4096个均匀分布的电压值）的DAQ设备，可以识别5mV的电压变化；而一个具有16位分辨率（216 或65536个均匀分布的电压值）的DAQ

的变化。大多数应用都可以使用具有12、16或18位设备则可以识别到300V

分辨率ADC的设备解决问题。然而，如果测量的传感器的电压有大有小，则需要使用具有24位分辨率的动态数据采集设备。电压范围和分辨率是选择合适的数据采集设备时所需考虑的重要因素。

5. 测量应用能够允许多大的误差？

精度是衡量一个仪器能否忠实地表示待测信号的性能指标。这个指标与分辨率无关；然而精度大小却又绝不会超过其自身的分辨率大小。确定测量的精度的方式，取决于

测量装置的类型。一个理想的仪器总是能够百分之百地测得真实的值；然而在现实中，仪器所给出的值是带有一定的不确定度的，不确定度的大小由仪器的制造商给出，取决于许多因素，如：系统噪声、增益误差、偏移误差、非线性，等等。制造商通常使用的一个参数指标是绝对精度，它表征DAQ设备在一个特定的范围内所能给出的最大的误差。例如，对于National Instruments公司的一个设备计算绝对精度的方法如下所示：

绝对精度=（[读值*增益误差]+[电压范围*偏移误差]+噪声不确定度）

绝对精度=2.2 mV

值得注意的是，一个仪器的精度不仅取决于仪器本身，还取决于被测信号的类型。如果被测信号的噪声很大，则会对测量的精度产生不利的影响。市面上的DAQ设备种类繁多，精度和价格各异。有些设备可提供自校准、隔离等电路来提高精度。一个普通的DAQ设备所达到的绝对精度可能超过100mV，而更高性能的设备的绝对精度甚至可能达到约1mV。一旦确定了应用中所需的精度要求，你就可以选择一个具有合适绝对精度的DAQ设备。