【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 號(hào)進(jìn)行歸類。歸類的標(biāo)準(zhǔn)是信號(hào)中有用的不同信息?？偟膩?lái)說(shuō)，可以把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一個(gè)數(shù)字信號(hào)只有兩個(gè)分離的狀態(tài):低電平和高電平。相反，模擬信號(hào)包括了隨時(shí)間變化的連續(xù)信息。數(shù)字信號(hào)又可以分為開關(guān)信號(hào)和脈沖序列信號(hào)，模擬信號(hào)則可以分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)、頻域信號(hào)。這幾種信號(hào)分別對(duì)應(yīng)著一種信號(hào)信息:狀態(tài)、變化率、幅值、形狀、頻率。要從一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。下面逐一予以討論說(shuō)明。1 傳感器傳感器將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的最基本的環(huán)節(jié)。例如，熱電偶、熱敏電阻、集成電路傳感器、應(yīng)變片等，都可以將溫度轉(zhuǎn)化成電壓和電阻。對(duì)于每一種傳感器，電信號(hào)的大小都與被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理參數(shù)成正比。2 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁，負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來(lái)，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。(1) 放大和衰減數(shù)據(jù)采集卡接收的信號(hào)是范圍很廣的電壓信號(hào)，如果太強(qiáng)，就需要衰減器把被測(cè)信號(hào)減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，另一方面有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而對(duì)于微弱信號(hào)要進(jìn)行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓值和ADC最大輸入值相等，這樣可以提高精度。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足這樣一個(gè)條件:經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)其最大值應(yīng)盡可能地達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。(2) 隔離隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因:一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。(3) 濾波濾波的目的是消除噪音信號(hào)，提高輸入信號(hào)的信噪比。噪音濾波器通常用于直流信號(hào)。交流信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。(4) 激勵(lì)由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。(5) 線性化很多傳感器對(duì)被測(cè)量都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。3 數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)據(jù)采集硬件與眾多因素有關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，下面是通用的特征:(1) 采樣頻率采樣頻率高，就能在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信息，見圖4一1(a)所示。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見圖4一1(b)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。(2) 采樣方法要從多個(gè)通道得到數(shù)據(jù)，通常使用多路開關(guān)把每個(gè)信號(hào)端連接到A/D轉(zhuǎn)化器(ADC)。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和ADC要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采樣。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生同時(shí)采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。這種方法一定時(shí)間間隔掃描輸入通道，用脈沖來(lái)計(jì)算各通道兩次掃描的時(shí)間間隔。(3) 分辨率ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成2’(8位)段，每段用二進(jìn)制代碼在000到In之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅恕Ｈ绻黾拥?6位，代碼增加到655536，這樣就可以得到較為精確地反映原始信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。(4) 電壓范圍電壓范圍指ADC能掃描到最高和最低電壓。一般情況下，由于DAQ卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示ILSB。例如，某DAQ板的分辨率為16位，范圍取0一 1OV，增益取 100，則有 1LSB=(10/100xZ’6)=，這樣一來(lái)，在數(shù)字化的過(guò)成中。(5) 模擬輸出模擬輸出電路通常是為DAQ板的系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓或電流。DAQ輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。(6) 定時(shí)I/0許多場(chǎng)合都要用到定時(shí)器，如數(shù)字脈沖定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息:門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn)。輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。4 驅(qū)動(dòng)軟件沒(méi)有軟件，甚至沒(méi)有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如CPU中斷、DMA傳送、存儲(chǔ)器等。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。N工一DAQ就是N1公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DAS(DataAequisitionSyst。m)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過(guò)程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。它所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此輸入的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量化:，變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如4一2所示，它由多路開關(guān)、采樣/保持器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過(guò)采樣和量化兩個(gè)必要步驟。采樣過(guò)程是將被測(cè)的連續(xù)信號(hào)離散化，從連續(xù)信號(hào)中抽取采樣時(shí)刻的信號(hào)值，由多路開關(guān)、采樣/保持器完成。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣/保持器。多路開關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端，對(duì)各路信號(hào)分時(shí)采樣。A/D轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中。放大器、濾波器可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小及干擾的強(qiáng)弱選用。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)單獨(dú)配置。傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器多路開關(guān)放大器計(jì)算機(jī)傳感器 。 。 。傳感器 圖31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖在實(shí)際系統(tǒng)中用到A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣/保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào)保持不變。采樣/保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。在采樣方式下，采樣/保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓:在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令結(jié)束為止。圖4一3為采樣/保持器的原理電路。從圖中可以看到，采樣/保持器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持電容和控制開關(guān)組成。圖32 采樣/保持器模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)量經(jīng)常是幾個(gè)或者幾十個(gè)，為了降低成本和減小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣/保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)的與這些公用器件連通。圖33 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān)為了滿足不同需要，現(xiàn)己開發(fā)出各種集成模擬開關(guān)，按輸入