数据采集系统的基本组成

图4-20 数据采集系统框图

数据采集系统框图如图4-20所示，它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。模拟信号由模拟类的传感器输出的信号经调理后得到，数字信号则由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到。

传感器的作用是把非电量转变成电量（如电压、电流或频率），例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压，转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。

放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压变化只在几个毫伏之间，人体生物电信号仅是微伏量级。因此，输入信号需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的种类也很繁杂。例如，为了减少输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪器放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就有量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输出的漂移，则有斩波稳零和激光修正的精密放大器。(www.xing528.com)

传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道，使信号通道感染上噪声，例如，工频信号可以成为一种人为的干扰源，这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。

在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一信号，因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、A/D及处理器电路等，只需一套即可。这样，节省成本和体积，但仅在物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒A/D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注意泄漏及逻辑安排等问题。当信号频率较高时，使用多路模拟开关后，对A/D的转换速率要求也随之上升。采样速率超过40～50kHz时，一般不再使用分时的多路模拟开关技术。多路模拟开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的模拟多路开关，比干簧或继电器组成的多路开关导通电阻大，泄漏电流大，因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。

多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度。如果把采样/保持电路放在多路模拟开关之前（每道一个），还可以实现对瞬时信号进行同步采样。

采样/保持器输出的信号送至A/D转换器，A/D转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器的种类也较多，早期的采样/保持器和A/D转换器需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片A/D转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路，可以为系统设计提供了较大的方便。