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2023-07-02
数据采集系统配置步骤详解
【摘要】：根据仪器对数据采集装置的技术要求的不同，可以构成不同结构的数据采集装置，这就要求能按照需求去构成一个具有高性价比的数据采集系统。在确定数据采集系统的结构时，需要认真考虑参数变化的速率、分辨率、精度和通道数等问题。图6-4分时采集系统的另一种结构形式2.同时采集系统同时采集系统的结构形式如图6-5所示，每个通道有一个IA和一个ADC。由于各个通道能同时进行A/D转换，因此，这种方案适用于高速的数据采集系统。
根据仪器对数据采集装置的技术要求的不同，可以构成不同结构的数据采集装置，这就要求能按照需求去构成一个具有高性价比的数据采集系统。在确定数据采集系统的结构时，需要认真考虑参数变化的速率、分辨率、精度和通道数等问题。应该根据不同的要求，选择不同的配置方案。
1.分时采集系统
分时采集系统的结构形式如图6-3所示。对于单极性转换，满刻度电压范围通常为0～+5 V，或0～+10 V。双极性转换通常为±5 V或±10 V，ADC转换器输入电阻不高，通常为5～205 kΩ，所以仅用一个ADC来完成数据采集任务的场合很少，一般都与测量放大器配合使用。
图6-3 分时采集系统的结构形式
然而，这种方式也有不足之处，主要表现在：
（1）当传感器的输出电压较小时，对多路模拟开关的要求很高，甚至要求能接收微弱的信号，一般的多路模拟开关很难满足要求。
（2）ADC转换器的转换过程需要一定的时间，一般在几十微秒到几十毫秒。因此，当通道数较多及输入信号的变化较快时，即使采用高速的ADC也难以胜任。
（3）这种采集系统是分时采样，每采样一次就进行A/D转换，送入内存后才对下一个采样点进行采样。因此每个采样点之间存在一个时间差（几十到几百微秒），这就使得各通道采样值在时间轴上产生扭斜现象。输入通道的数目越多，这种扭斜现象越严重。
由此可见，这种结构形式适用于缓慢变化过程对象及传感器输出电压较高的场合。
如图6-4所示的结构与图6-3有所不同，每个通道有一个IA，并共享一个ADC。由于仅使用了一个ADC，因此经济性较好，而且高电平模拟信号对多路模拟开关的精度要求不严格，这样多路模拟开关可能引入的误差要比前一种方式小得多。
图6-4 分时采集系统的另一种结构形式
2.同时采集系统
同时采集系统的结构形式如图6-5所示，每个通道有一个IA和一个ADC。由于它采用了多个IA和ADC，所以成本较高。但是，这种方案能够很好地满足同时检测多个模拟信号的要求。由于各个通道能同时进行A/D转换，因此，这种方案适用于高速的数据采集系统。
图6-5 同时采集系统的结构形式
上述三种方案的多路转换结构全是单端形式。它们的共同特点是各输入信号以一个公共点为参考点，并通过导线将这个公共点与放大器、ADC的参考点连接起来。由于这个公共点可能与IA和ADC的参考点不在同一点位，由此出现了电位差CMU，从而导致干扰电压的引入，造成测量误差。
3.差动结构形式
差动结构形式如图6-6所示。IA接成差动输入、单端输出，多路模拟开关采用双通道输出结构，信号源的参考点和IA、ADC的参考点不需要用导线连接。从而具有较强的抑制共模干扰能力。若采集的信号为低电平，则可以采用这种结构方式来抑制长传输线引起的严重干扰。这种方式允许扫描的通道数只是实际模拟开关数的一半。
图6-6 差动结构形式
4.模拟量隔离的结构形式
采用差动结构方式可以消除共模干扰的影响，但对于干扰严重的生产现场（如在冶金、电力等工业中），来自现场的输入信号（传感器输出信号）会叠加出非常大的共模干扰。共模干扰的主要原因在于传感器和模拟电路部分的双重接地形成了回路，从而引进了共模电压。因此必须对来自现场的输入信号采取隔离措施，如果使信号源接地点和模拟输入电路（IA、SHA、ADC）之间不共地，就可以切断共模电压的回路（即隔离），有效地抑制干扰。此外，有些巡回检测的生产过程，为了保证正常工作，也需要对模拟信号进行隔离。图6-7所示为采用电压-频率变换器（VFC）的隔离形式。
图6-7 电压-频率变换器隔离形式
采用VFC和FVC构成的隔离式数据采集装置将模拟信号转变成开关量信号，以实现光电隔离和远距离传递，因而具有隔离性能好、抗干扰能力强、精度高、容易实现的特点，被广泛使用于温度、压力和流量等方面的检测。
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