4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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1、第四章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?！?.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成第四章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過(guò)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(hào)調(diào)理傳感器的選用、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器信號(hào)調(diào)理中的抗混疊濾波器§4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成課本190，198－199數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位

2、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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程。相應(yīng)的系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem,簡(jiǎn)稱DAS）一、數(shù)據(jù)采集的定義和工作過(guò)程數(shù)據(jù)采集的定義：一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程大致可分為三步：（1）數(shù)據(jù)采集采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)。（2）數(shù)據(jù)處理根據(jù)不同的需要由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。（3）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(lái)，或者將數(shù)據(jù)存入磁盤形成文件保存起來(lái)，或通過(guò)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①時(shí)鐘功能。確定數(shù)據(jù)

3、采樣周期，同時(shí)也能為系統(tǒng)提供時(shí)間基淮。②數(shù)據(jù)采集。將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器送來(lái)的模擬電信號(hào)按一定的次序巡回的采樣、進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。③信號(hào)處理。模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理、開關(guān)信號(hào)處理④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(hào)采集與處理程序；運(yùn)行參數(shù)設(shè)置程序（采樣通道號(hào)，采樣點(diǎn)數(shù)，采樣周期，信號(hào)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)實(shí)際的數(shù)據(jù)采集

4、系統(tǒng)往往需要同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。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(gè)還是每路各用一個(gè)，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(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)采集通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。（2）、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集中采集式—多路分時(shí)采集分時(shí)輸入（多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器）工作過(guò)程：各路被測(cè)參數(shù)共用一個(gè)采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時(shí)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(hào)時(shí)，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)

5、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(hào)。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(shí)現(xiàn)對(duì)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，它適用于信號(hào)變化速率不高，對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。如果信號(hào)變化速率慢，也可以不用采樣保持器。如果信號(hào)比較弱，混入的干擾信號(hào)比較大，還需要使用數(shù)據(jù)放大器和濾波器。集中采集式—多路同步采集分時(shí)輸入（多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）工作過(guò)程：各路信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，但每一路通道都有一個(gè)采樣保持器，可以在同一個(gè)指令控制下對(duì)各路信號(hào)同時(shí)采樣，得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開關(guān)分時(shí)

6、的將各路采樣保持器輸出信號(hào)接到A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：各路信號(hào)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。分散采集式（多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）分散采集式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：每個(gè)通道都有獨(dú)自的采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，各個(gè)通道的信號(hào)可以獨(dú)立采樣和A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可經(jīng)過(guò)接口電路直接送至計(jì)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)。2）輸出通道的一般結(jié)構(gòu)（1）輸出通道的作用是計(jì)算機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算處理后，將處理結(jié)果回送給被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)通路。（2）輸出通道一般

7、結(jié)構(gòu)取決于被測(cè)對(duì)象和控制任務(wù)。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。（3）輸出數(shù)據(jù)的形式數(shù)字信號(hào)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(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）將其變換成模擬量信號(hào)。在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理，