4.1 数据采集系统20751.pptVIP

第四章 数据采集系统 数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 §4.1 数据采集系统的组成 一、数据采集的定义和工作过程 二、数据采集系统的基本功能 三、数据采集系统的结构形式 硬件结构、软件结构 四、模拟信号调理 传感器的选用 、信号调理通道中的常用放大器 信号调理中的抗混叠滤波器 一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步： （1）数据采集 采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信 号，然后送入计算机。 （2）数据处理 根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需 的数据。 （3）处理结果的复现与保存 将处理后的结果在绘图仪、电平记录仪上显示出来，或者 将数据存入磁盘形成文件保存起来，或通过线路进行远距离 传输。 二、数据采集系统的基本功能 ① 时钟功能。确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间基淮。 ② 数据采集。将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回的采样、进行A／D转换并存储数据，即完成数据的采集。 ③ 信号处理。 模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理 ④ 数据存储。 ⑤ 显示和打印输出。 三、数据采集系统的结构形式 数据采集系统的结构要从硬件和软件两方面考虑。 1、数据采集系统的软件 信号采集与处理程序； 运行参数设置程序（采样通道号，采样点数，采 样周期，信号量程范围，放大器增益系数等）； 系统管理程序（主控程序）； 通信程序。 2、数据采集系统的硬件 数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出通道组成。 1）输入通道的结构形式 （1）、单通道数据采集系统 实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物 理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模 拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电 路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输 入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。 利用多路模拟开关让多个被测对象共用同一个 采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。 集中采集式— 多路分时采集分时输入（多通道共享采样/保持器和A/D转换器） 工作过程：各路被测参数共用一个采样/保持器和A/D转换器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已充分逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，A/D转换器开始进行转换，转换完毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实现对多通道模拟信号的数据采集。 特点：结构形式简单，所用芯片数量少，它适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。如果信号变化速率慢，也可以不用采样保持器。如果信号比较弱，混入的干扰信号比较大，还需要使用数据放大器和滤波器。 集中采集式—多路同步采集分时输入（多通道同步型数据采集系统） 工作过程：各路信号共用一个A/D转换器，但每一路通道都有一个采样保持器，可以在同一个指令控制下对各路信号同时采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟开关分时的将各路采样保持器输出信号接到A/D转换器上进行模数转换。 特点：各路信号必须串行的在共用的A/D转换器中进行转换，因此这种结构的速度仍然较慢。 分散采集式（多通道并行数据采集系统） 特点： 每个通道都有独自的采样保持器和A/D转换器，各个通道的信号可以独立采样和A/D转换器。转换的数据可经过接口电路直接送至计算机中，数据采集的速度快 。 多通道并行数据采集系统所用的硬件多、成 本高。这种结构形式适用于高速系统、分散 系统以及多通道并行数据采集系统。 2）输出通道的一般结构 （1）输出通道的作用 是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送 给被测对象的数据通路。 （2）输出通道一般结构 取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所示。 （3）输出数据的形式 数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量，它 们可直接用于开关量、数字量控制系统及频率调制系统。 模 拟量控制系统，则应通过数/模转换（D/A）将其变换成模拟 量信号。 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂， 除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放 大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处 理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些 操作统称为信号调理，相应的执行电路统称为 信号调理电路。 4、信号调理中的抗混叠滤波器 采样频率小于最高频率的2倍，会产生频率混叠现象。 频率混叠：时域采样间隔过长，造成频域周期化间隔 不够大时，在重复频率交界处出现的局部互相重叠现 象。混叠的结果是：原来的高频信号将被误认为是某 种相应的低频信号。 消除混叠的措施：