引言

本文是一份關(guān)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)準則集合。其目的是對眾多其他論文和應(yīng)用筆記中系統(tǒng)的逐塊討論進行補充。本文重點關(guān)注各模塊 “之間” 那些難以量化的問題，而非對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 “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、將這些信號傳輸?shù)街醒胛恢?，并將信息?shù)字化以便輸入數(shù)字計算機所需的所有組件。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路徑。

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

本文將探討幾種系統(tǒng)架構(gòu)，隨后針對必須為特定應(yīng)用選擇硬件的設(shè)計人員展開一般性討論。主題包括：

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

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通道中放置一個跟蹤 / 保持器，如圖 2 所示。同時將所有通道切換到保持狀態(tài)，能產(chǎn)生一個 “快照”，保留所有通道中信號的相位關(guān)系。此信息在地震研究和振動分析中至關(guān)重要。
圖 3 所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，但除了通道數(shù)據(jù)變化緩慢的情況外，目前還不太實用。低頻信號允許為每個通道配備一個速度較慢但精度較高的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于低帶寬信號不存在混疊問題，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)換器通過對瞬時信號電平附近的寬帶噪聲進行平均來抑制噪聲。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。然后對轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出進行數(shù)字多路復(fù)用。

圖 3 所示的系統(tǒng)相較于其他兩個系統(tǒng)具有固有優(yōu)勢，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的多種誤差。當然，其缺點是成本較高。如果逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的價格大幅下降，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小的隨機存取存儲器（RAM），可以緩沖計算機數(shù)據(jù)，并減輕計算機在單個轉(zhuǎn)換過程中的負擔(dān)。通過安排定時和控制，可以重復(fù)掃描所有通道，并持續(xù)更新每個通道的 RAM 存儲位置。這樣，計算機隨時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。

信號調(diào)理

信號調(diào)理是指在傳感器信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化之前（包括數(shù)字化過程）對其進行的所有操作。這些操作包括多路復(fù)用、可編程增益和跟蹤 / 保持等標準操作，還可根據(jù)需要添加其他操作：

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

為獲得最高信噪比，除了共模抑制和濾波操作外，所有信號調(diào)理都應(yīng)在傳感器附近進行。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)絺鞲衅鞯男盘柧€上拾取的寬帶噪聲。