位数 8 级数 256 1 LSB（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度） 0.391% 39.1mV
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技术指标
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。
一个周期的波形需采10个样点，那么这样的A/D转换 器最高也只有处理频率为1KHz的模拟信号。把转换 时间减小，信号频率可提高。
书中主要讲述了如何确定A/D转换器的位数以及如何确定A/D转 换器的转换速率，详细公式和实例说明见书P77~78页。
3.5.3 高速数据采集系统
1 高速数据采集系统分类 2 高速数据采集系统基本功能 3 高速数据采集系统的结构形式
号，单端输入和差分输入； 根据信号通道的结构方式：单通道及多通道输入方式。
高速数据采集系统基本功能
一般来说，高数采集系统的任务是采集各种类 型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入 计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得
到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。
高速数据采集系统的结构形式
开关设备测试 是一个巨大的挑战, 要求特殊的 硬件和软
件 才能产生精确可靠的测试结果. 硬件的挑战包括绝缘，放 大器漂移，噪声和抗电磁干扰和需要电池操作等。软件挑战 包括数据完整，重复性和可靠性等。例如核电备用柴油机的 测试。
零区测试 零区 (CZ) 指的是在高功率断路器上的中断现象. 现在不
可能通过中断高压电路来进行，而是通过其他方式，如电
– 用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术
USB总线
（注意: 不是前面所说的传输电缆）
PC
接线端+传输线缆+ 数据采集设备
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
3.5.1 数据采集系统结构形式的确定
PC
• Windows • Linux • Mac
部分常用的数据采集设备类型
• 实验室、工业环境使用
– 基于PCI/PXI接口 – 往往需要外接端子和线缆
• 便携式/远距离
–练习
– 如ELVIS 、myDAQ – 除了数据采集硬件电路之外还 集成了其他一些功能，如数字 万用表、可编程电源等
4 高速数据采集系统基本原理
5 高速数据采集系统的发展趋势
6 高速数据采集的应用
高速数据采集系统分类
高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法 有以下几种： 根据适应环境不同：隔离型和非隔离型，集中式和分布式； 根据控制功能：智能化和非智能化采集系统；
根据模拟信号的性质：电压和电流信号，高电平和低电平信
（2）如何确定A/D转换器的转换速率 A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数 字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每 秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。 确定A/D转换器的转换速率时，应考虑系统的采样
速率。
例如，如果用转换时间为100us的A/D转换器，
则其转换速率为10KHz。根据采样定理和实际需要，
100%
A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。
多路模拟开关的选择要点
选择多路模拟开关时，应充分考虑
信号的特点及系统特性，尽量选择导通
电阻小、漏电电流小、切换速度快的芯 片，同时应注意要适当地限制通道数量， 有必要时可以采用MUX的多路扩展方式。
A/D转换器的选择要点
采用 A/D 转换器的模拟信号采集是一个要求比较 高的工作，需要考虑多方面的问题。这里介绍需要重 点注意的几个问题。 • 采样速度。采样速度决定了数据采集系统的实时性。
换后得到的数字信号输人到DSP芯片；再由DSP芯片对该数字 信号进行各种数字信号算法的处理。
高速数据采集系统的发展趋势
(1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了 数据采集系统的性能。 (2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步
推动了数据采集系统的广泛应用。
(3)智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集系统 的发展产生深远的影响。 (4)与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据 采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的
进一步发展。
(5)分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。
高速数据采集的应用
高速数据采集系统具有极高的采样率，尤其适合用于瞬间 测量量产生变化的场合。例如：在电力传输或者爆炸，冲击波， 火箭发射过程中。 电力测试的应用包括：
高压脉冲测试
大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能. 其暴露在 野外，经常遭受雷击，进而可能损坏变电站的设备. 元器件 的损坏将导致部分电力分配能力的损失，并耗费高昂的修理 费用. 变压器，电涌放电器，绝缘体和开关设备的测试 对于 质量校准过程和保证元件的承受力是非常重要的. 电力开关设备测试
多通道数据采集系统的几种结构形式
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。
（1）如何确定A/D转换器的位数
A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态 精度和动态平滑性这两个方面进行考虑。
目前，大多数测量装置的精度值不小于01%~0.5%，故
A/D转换器的精度取0.05%~0。1%即可，相应的二进制码 为10~11位，加上符号位，即为11~12位。当有特殊的应用 时，A/D转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度 的转换方案。
3.5.2 系统参数设计和器件选择
数据采集系统的主要技术指标：
被采集信号的特点
系统响应时间 系统分辨率 系统的精度
数据采集系统的主要技术指标
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。
常见的数据采集形式有以下几种： 1. 单通道数据采集系统
2. 多通道并行数据采集系统
3. 多通道同步型数据采样系统
4. 多通道共享采样/保持器与A/D转换器
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。
弧. 所有的电路中断器都通过移除相互之间的接触来完成， 这样接触之间产生电弧. 零区现象 是压力，温度，离子密度， 等离子流等的指标. 零区测试 用来了解电弧现象以及确定成 功的电流中断的主要参数。
数据采集系统的主要技术指标
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：
I 20 lg
A f min
数据采集系统的主要技术指标
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 ...
和系统的通过率都会影响误差的计算。正常情况下，A/D 转换前向通道的总误差应小于等于A/D转换器的量化误差， 否则选取高分辨率A/D转换器也没有实际意义。 • 孔径误差。A/D转换是一个动态的过程，需要一定的转换 时间。而输入的模拟量总是在连续不断变化的，这样便 造成转换输出的不确定性误差，即孔径误差。为了确保
第三章 信号采集与信号调理技术
3.5 数据采集系统的设计
数据采集系统概述
信号调理 传感器 / 信号 I/O 数据采集 硬件 总线 数据采集 软件
典型的数据采集系统硬件架构
数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统
传感器
• 任意类型
信号连接
• 直接连接 • 或通过接线端
DAQ设备
• • • • PCI/PXI PCIe/PXIe USB Ethernet
较小的孔径误差，则要求A/D转换器具有与之相适应的转