数据采集系统的主要性能指标
1. 系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的 最小变化量。通常用最低有效位值（ LSB ）占系统 满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际 电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分 的级数来表示。
位数 8 级数 256 1 LSB（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度） 0.391% 39.1mV
数据采集系统基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分。
图1.1 数据采集系统硬件基本组成
多通道数据采集系统的几种结构形式
多通道A/D转换
每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器， 这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速 数据采集。
多通道数据采集系统的几种结构形式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
混频偏差
采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信 号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混 频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠 近的采样率整数倍的差的绝对值。
采样频率fs是100HZ
信号调理
信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接 口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、 线性化等。
数据采集设备的基本结构
多通道共享采样保持器和A/D转换器
多通道同步型数据采集系通
多通道并行数据采集系统
分布式数据采集系统
被测信号与数据采集设备之间的连接
电压信号可以分为接地和浮动两种类型。 接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物
的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。
浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电 压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。 常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。 • 测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、 无参考地单端（NRSE）三种类型。
差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具 有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。
所以流入节点A的电流
VREF I R
所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。
d0
d1
d2
d n -2
d n -1 Iout1 Iout2
R
A
Uo
n 2 2R
I
S0 2 2R
I
S1 2 2R
n
n -1
I
S2 2 2R
n -2 2R R
I
S n-2
S n-1
I
2
2
I
2R 2
1
2R// 2R=R
R
R
R
R
u b2 u Ic
u b1 u b2 i RG
u O1 u O2
i( R1 R 2 R G )
RS
b1
+ _ uId
+A –1
u O1 R 3
R1
RG
R4
R1 R 2 R G u Id RG
b2
i
–A 3 +
uO
+ uIc _
–A 2 +
R2
uO 2
R5
R6
数据采集系统的主要性能指标
4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围 是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采 集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅 值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：
Vi max I i 20lg Vi min
瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时， 某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅 值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值 Afmax 与幅度最小频率分量的幅值 Afmin 之比的分贝数。瞬 A f max 时动态范围：
噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。
用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。
• 填空：16*1=16 判断6*1=6 简答6*6=36 • 分析10+10+10+12=12分
放大器
使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共 模干扰电压大。 目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。 要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声 低、闭环增益稳定性高。 分类： 技术指标： 放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais 输入阻抗：Ri=U0/Ii 输出阻抗 通频带
12
16 20 24
4096
65536 1048576 16777216
0.0244%
0.0015% 0.000095% 0.0000060%
2.44 mV
0.15 mV 9.53 uV 0.60 uV
表1.1 系统的分辨率（满度值为10 V）
数据采集系统的主要性能指标
2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散 子样的转换精度。 模数转换器的精度是系统精度的极限值。 系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它 是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。 3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精 度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。 “采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、 传输、存储等过程。 采集速率的倒数是采样周期。
而
VREF I R
I I U O I R R ( d n 1 d n 2 2 4
I n 1 d1 n d 0 ) 2 2
I
VREF U O n (dn1 2n 1 dn2 2n2 d1 21 d0 20 ) 2
O1 O2
RS
b1
+A –1
u O1 R 3
R1
RG
R4
输出uO与共模信号uIc无关 放大器具有很高的抑制 共模信号的能力
+ _ uId
b2
i
–A + 3
uO
+ uIc _
–A 2 +
R2
uO 2
R5
R6
2.5 测量放大电路
⑵抑制共模信号能力
总线性能参数
总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如8位、16 位、32位、64位总线宽度。 寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。 总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的 一个重要参数。 数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每 秒最大传输数据量来表示。计算公式： 总线数据传输率=(总线宽度÷8位)*总线频率 总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使 源与目的同步。 热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。 即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。 负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。
三运放测量放大器原理图
对电路要求 a. 运放A1、A2的特性 一致性。 b. 电阻R3、R4、R5、R6 要精密配合（ R3= R5 、 R4 =R6）。
RS
b1
+ _ uId
+A –1
u O1 R 3
R1
RG
R4
b2
i
–A 3 +
uO
+ uIc _
–A 2 +
R2
uO 2
R5
R6
由图可知
u b1 u Id u Ic
I
VREF
R+R=2R
V I REF R
可写出 I 的表达式
I I I d n 1 d n 2 2 4
输出模拟电压为
I n 1 d1 n d 0 2 2
I n 1 d1 n d 0 ) 2 2 I
I
I I U O I R R ( d n 1 d n 2 2 4
一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的
电位差，完全不会测量到共模电压； 实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测 量系统地的输入电压的波动范围； 可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模 电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之 间的浮地电压，以避免测量数据错误；
uO
R4 R6 R4 (1 ) uO2 u O1 R3 R5 R6 R3
令
R3 R 4 R5 R6 R
uO R4 R6 R4 (1 ) uO2 u O1 R3 R5 R6 R3 R1 R 2 (u u ) (1 ) u Id RG
单通道共享A/D转换器
各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D 转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行 A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集 速度稍慢。
多通道共享采样保持器与A/D转换器
各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时， 通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的 采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同 步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本， 适于对采集速度要求不高的应用场合。
I 20 lg
A f min
数据采集系统的主要性能指标
5. 非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为 f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为 kf（ k 为正整 数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐 波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度， 它通常用下式表示：
H
2 A2 A32 ... 2 A12 A2 A32 ...