引言

本文是一份關于數據采集系統設計的指導準則集合。其目的是對眾多其他論文和應用筆記中系統的逐塊討論進行補充。本文重點關注各模塊 “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。后者的相關信息可在參考文獻 “綜合類” 中找到。

數據采集系統涵蓋生成各類物理變量的電模擬信號、將這些信號傳輸到中央位置，并將信息數字化以便輸入數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、多路復用器、采樣 / 保持器和模數轉換器。該系統還包括將這些功能連接在一起的所有信號路徑。

下載：*附件：數據采集系統 （DAS） 的設計注意事項.pdf

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

• 數據采集系統架構
• 信號調理
• 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

數據采集系統架構

目前，應用最廣泛的數據采集系統配置如圖 1 所示。它可處理一定數量的模擬通道，輸入到一個公共的多路復用器、可編程增益放大器（若需要）、跟蹤 / 保持放大器和模數轉換器中。

一種更專業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，能產生一個 “快照”，保留所有通道中信號的相位關系。此信息在地震研究和振動分析中至關重要。
圖 3 所示的數據采集系統具有諸多優勢，但除了通道數據變化緩慢的情況外，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轉換器。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。然后對轉換器的數字輸出進行數字多路復用。

圖 3 所示的系統相較于其他兩個系統具有固有優勢，它消除了跟蹤 / 保持器和模擬多路復用器，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轉換器的價格大幅下降，圖 3 所示的系統將在更多應用中成為首選。

在這些系統的轉換器輸出端添加一個小的隨機存取存儲器（RAM），可以緩沖計算機數據，并減輕計算機在單個轉換過程中的負擔。通過安排定時和控制，可以重復掃描所有通道，并持續更新每個通道的 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。

后續討論將以圖 1 所示的單端和差分版本為中心。

信號調理

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

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

為獲得最高信噪比，除了共模抑制和濾波操作外，所有信號調理都應在傳感器附近進行。濾波器應放置在多路復用器輸入附近，這樣既能最小化源于傳感器輸出頻譜高端的混疊誤差，又能抑制傳輸到傳感器的信號線上拾取的寬帶噪聲。