數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)課件

第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1§4.1

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成§4.2

采樣保持器§4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計1§4.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計22第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過程二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能

三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)四、模擬信號調(diào)理傳感器的選用、信號調(diào)理通道中的常用放大器信號調(diào)理中的抗混疊濾波器3§4.1

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過程4數(shù)據(jù)采集的定義：數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移

等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打

印的過程。相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data

Acquisition

System,簡稱DAS）一個完整的數(shù)據(jù)采集工作過程大致可分為三步：5數(shù)據(jù)采集采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機(jī)。數(shù)據(jù)處理根據(jù)不同的需要由計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。處理結(jié)果的復(fù)現(xiàn)與保存將處理后的結(jié)果在繪圖儀、電平記錄儀上顯示出來，或者

將數(shù)據(jù)存入磁盤形成文件保存起來，或通過線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能6① 時鐘功能。確定數(shù)據(jù)采樣周期，同時也能為系統(tǒng)提供時間基淮。② 數(shù)據(jù)采集。將現(xiàn)場檢測傳感器送來的模擬電信號按一定的次序巡回的采樣、進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并存儲數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。③

信號處理。模擬信號處理、數(shù)字信號處理、開關(guān)信號處理④

數(shù)據(jù)存儲。⑤

顯示和打印輸出。三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要從硬件和軟件兩方面考慮。

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件信號采集與處理程序；運行參數(shù)設(shè)置程序（采樣通道號，采樣點數(shù)，采樣周期，信號量程范圍，放大器增益系數(shù)等）；系統(tǒng)管理程序（主控程序）；通信程序。2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由輸入通道、輸出通道組成。1）輸入通道的結(jié)構(gòu)形式（1）、單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。因此，多路模

擬輸入通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸入通道可分為集中采集式和分散采集式兩大類型。利用多路模擬開關(guān)讓多個被測對象共用同一個采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實質(zhì)。9（2）、 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集中采集式— 多路分時采集分時輸入（多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器）10工作過程：各路被測參數(shù)共用一個采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時刻，多路開關(guān)只能選擇其中某一路，把它接入到采樣/保持器的輸入端。當(dāng)采樣/保持器的輸出已充分逼近輸入信號時，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)可以將下一路接通到采樣保持器的輸入端。系統(tǒng)不斷重復(fù)上述操作，實現(xiàn)對多通道模擬信號的數(shù)據(jù)采集。特點：結(jié)構(gòu)形式簡單，所用芯片數(shù)量少，它適用于信號變化速率不高，對采樣信號不要求同步的場合。如果信號變化速率慢，也可以不用采樣保持器。如果信號比較弱，混入的干擾信號比較大，還需要使用數(shù)據(jù)放大器和濾波器。11集中采集式—多路同步采集分時輸入（多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）12工作過程：各路信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，但每一路通道都有一個采樣保持器，可以

在同一個指令控制下對各路信號同時采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。模擬開關(guān)分時的將各路采樣保持器輸出信號接到A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。特點：各路信號必須串行的在共用的A/D轉(zhuǎn)

換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此這種結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。13分散采集式(a)分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)（多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）14特點：每個通道都有獨自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，

各個通道的信號可以獨立采樣和A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可經(jīng)過接口電路直接送至計算機(jī)中，數(shù)據(jù)采集的速度快

。多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的硬件多、成 本高。這種結(jié)構(gòu)形式適用于高速系統(tǒng)、分散

系統(tǒng)以及多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。15分散采集式16(b)

網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)2）輸出通道的一般結(jié)構(gòu)17輸出通道的作用是計算機(jī)對采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)某種運算處理后，將處理結(jié)果回送

給被測對象的數(shù)據(jù)通路。輸出通道一般結(jié)構(gòu)取決于被測對象和控制任務(wù)。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。輸出數(shù)據(jù)的形式數(shù)字信號的形式主要有開關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，它們可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)。

模

擬量控制系統(tǒng)，則應(yīng)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）將其變換成模擬量信號。18在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，

除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理，相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。19四、模擬信號調(diào)理201、傳感器的選用傳感器是信號輸入通道的第一道環(huán)節(jié)，

也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價格進(jìn)行對比，從中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。21(一) 對傳感器的主要技術(shù)要求具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致。轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。能滿足用戶對可靠性和可維護(hù)性的要求。22(二) 可供選用的傳感器類型對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范

圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重

考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進(jìn)行取

舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。231）.大信號輸出傳感器

:為了與A/D輸入要求

相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器。242）.數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點。25頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用263）. 集成傳感器：集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。274）. 光纖傳感器：這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)

的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信

號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根

本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。282、前置放大器29多數(shù)傳感器輸出信號都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。放大器要“前置”,放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。即提高了電路接收弱信號的能力。3、信號調(diào)理通道中的常用放大器30、儀用放大器、程控放大器、隔離放大器（1）、儀用放大器31（2）、程控放大器32（3）、隔離放大器隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是微弱的模擬信號，而測試現(xiàn)場的干擾比較大對信號的傳遞精度要求又高，這時可以考慮在模擬信號進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。33隔離放大器是三端口隔離，即輸入、輸出、電源的三個“地”是相互隔離的。采用了浮離式設(shè)計，消除了輸入、輸出端之間的耦合，具有高共模抑制比、高精度等特點。廣泛用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、生物醫(yī)療儀器。34GF289集成隔離放大器35GF289典型接法364、信號調(diào)理中的抗混疊濾波器采樣頻率小于最高頻率的2倍，會產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。頻率混疊：時域采樣間隔過長，造成頻域周期化間隔不夠大時，在重復(fù)頻率交界處出現(xiàn)的局部互相重疊現(xiàn)

象?；殳B的結(jié)果是：原來的高頻信號將被誤認(rèn)為是某種相應(yīng)的低頻信號。37消除混疊的措施：、提高采樣頻率，在工程實際應(yīng)用中，采樣頻率至

少為