引言

本文是一份關(guān)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)準(zhǔn)則集合。其目的是對(duì)眾多其他論文和應(yīng)用筆記中系統(tǒng)的逐塊討論進(jìn)行補(bǔ)充。本文重點(diǎn)關(guān)注各模塊 “之間” 那些難以量化的問(wèn)題，而非對(duì)模塊組件及其誤差影響的描述。后者的相關(guān)信息可在參考文獻(xiàn) “綜合類” 中找到。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涵蓋生成各類物理變量的電模擬信號(hào)、將這些信號(hào)傳輸?shù)街醒胛恢茫⑿畔?shù)字化以便輸入數(shù)字計(jì)算機(jī)所需的所有組件。這些組件包括傳感器、放大器、濾波器、多路復(fù)用器、采樣 / 保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)還包括將這些功能連接在一起的所有信號(hào)路徑。

下載：*附件：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).pdf

本文將探討幾種系統(tǒng)架構(gòu)，隨后針對(duì)必須為特定應(yīng)用選擇硬件的設(shè)計(jì)人員展開(kāi)一般性討論。主題包括：

• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)
• 信號(hào)調(diào)理
• 傳感器
• 單端與差分信號(hào)路徑
• 低電平信號(hào)
• 濾波器
• 可編程增益放大器
• 采樣率
• 計(jì)算機(jī)接口

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

目前，應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置如圖 1 所示。它可處理一定數(shù)量的模擬通道，輸入到一個(gè)公共的多路復(fù)用器、可編程增益放大器（若需要）、跟蹤 / 保持放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。

一種更專業(yè)且成本更高的變體是在每個(gè)通道中放置一個(gè)跟蹤 / 保持器，如圖 2 所示。同時(shí)將所有通道切換到保持狀態(tài)，能產(chǎn)生一個(gè) “快照”，保留所有通道中信號(hào)的相位關(guān)系。此信息在地震研究和振動(dòng)分析中至關(guān)重要。
圖 3 所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但除了通道數(shù)據(jù)變化緩慢的情況外，目前還不太實(shí)用。低頻信號(hào)允許為每個(gè)通道配備一個(gè)速度較慢但精度較高的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于低帶寬信號(hào)不存在混疊問(wèn)題，通常用于減少混疊誤差和噪聲的通道濾波器也就不再必要。積分型轉(zhuǎn)換器通過(guò)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)電平附近的寬帶噪聲進(jìn)行平均來(lái)抑制噪聲。此外，還可以選擇轉(zhuǎn)換器的積分周期，以幾乎完全抑制特定的干擾頻率，如 60Hz。然后對(duì)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出進(jìn)行數(shù)字多路復(fù)用。

圖 3 所示的系統(tǒng)相較于其他兩個(gè)系統(tǒng)具有固有優(yōu)勢(shì)，它消除了跟蹤 / 保持器和模擬多路復(fù)用器，從而避免了它們帶來(lái)的多種誤差。當(dāng)然，其缺點(diǎn)是成本較高。如果逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價(jià)格大幅下降，圖 3 所示的系統(tǒng)將在更多應(yīng)用中成為首選。

在這些系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器輸出端添加一個(gè)小的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），可以緩沖計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，并減輕計(jì)算機(jī)在單個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的負(fù)擔(dān)。通過(guò)安排定時(shí)和控制，可以重復(fù)掃描所有通道，并持續(xù)更新每個(gè)通道的 RAM 存儲(chǔ)位置。這樣，計(jì)算機(jī)隨時(shí)都能查看任何通道的最新讀數(shù)。

后續(xù)討論將以圖 1 所示的單端和差分版本為中心。

信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理是指在傳感器信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化之前（包括數(shù)字化過(guò)程）對(duì)其進(jìn)行的所有操作。這些操作包括多路復(fù)用、可編程增益和跟蹤 / 保持等標(biāo)準(zhǔn)操作，還可根據(jù)需要添加其他操作：

• 傳感器激勵(lì)
• 放大
• 濾波
• 校準(zhǔn)
• 線性化
• 電壓 - 電流轉(zhuǎn)換（4 - 20mA；10 - 50mA）
• 均方根（RMS）- 直流轉(zhuǎn)換
• 對(duì)數(shù)信號(hào)壓縮
• 共模抑制

為獲得最高信噪比，除了共模抑制和濾波操作外，所有信號(hào)調(diào)理都應(yīng)在傳感器附近進(jìn)行。濾波器應(yīng)放置在多路復(fù)用器輸入附近，這樣既能最小化源于傳感器輸出頻譜高端的混疊誤差，又能抑制傳輸?shù)絺鞲衅鞯男盘?hào)線上拾取的寬帶噪聲。