数据采集系统（DAS）的设计注意事项

引言

本文是一份关于数据采集系统设计的指导准则集合。其目的是对众多其他论文和应用笔记中系统的逐块讨论进行补充。本文重点关注各模块 “之间” 那些难以量化的问题，而非对模块组件及其误差影响的描述。后者的相关信息可在参考文献 “综合类” 中找到。

数据采集系统涵盖生成各类物理变量的电模拟信号、将这些信号传输到中央位置，并将信息数字化以便输入数字计算机所需的所有组件。这些组件包括传感器、放大器、滤波器、多路复用器、采样 / 保持器和模数转换器。该系统还包括将这些功能连接在一起的所有信号路径。

下载：*附件：数据采集系统 （DAS） 的设计注意事项.pdf

本文将探讨几种系统架构，随后针对必须为特定应用选择硬件的设计人员展开一般性讨论。主题包括：

• 数据采集系统架构
• 信号调理
• 传感器
• 单端与差分信号路径
• 低电平信号
• 滤波器
• 可编程增益放大器
• 采样率
• 计算机接口

数据采集系统架构

目前，应用最广泛的数据采集系统配置如图 1 所示。它可处理一定数量的模拟通道，输入到一个公共的多路复用器、可编程增益放大器（若需要）、跟踪 / 保持放大器和模数转换器中。

一种更专业且成本更高的变体是在每个通道中放置一个跟踪 / 保持器，如图 2 所示。同时将所有通道切换到保持状态，能产生一个 “快照”，保留所有通道中信号的相位关系。此信息在地震研究和振动分析中至关重要。
图 3 所示的数据采集系统具有诸多优势，但除了通道数据变化缓慢的情况外，目前还不太实用。低频信号允许为每个通道配备一个速度较慢但精度较高的积分型模数转换器。由于低带宽信号不存在混叠问题，通常用于减少混叠误差和噪声的通道滤波器也就不再必要。积分型转换器通过对瞬时信号电平附近的宽带噪声进行平均来抑制噪声。此外，还可以选择转换器的积分周期，以几乎完全抑制特定的干扰频率，如 60Hz。然后对转换器的数字输出进行数字多路复用。

图 3 所示的系统相较于其他两个系统具有固有优势，它消除了跟踪 / 保持器和模拟多路复用器，从而避免了它们带来的多种误差。当然，其缺点是成本较高。如果逐次逼近型模数转换器的价格大幅下降，图 3 所示的系统将在更多应用中成为首选。

在这些系统的转换器输出端添加一个小的随机存取存储器（RAM），可以缓冲计算机数据，并减轻计算机在单个转换过程中的负担。通过安排定时和控制，可以重复扫描所有通道，并持续更新每个通道的 RAM 存储位置。这样，计算机随时都能查看任何通道的最新读数。

后续讨论将以图 1 所示的单端和差分版本为中心。

信号调理

信号调理是指在传感器信号被模数转换器数字化之前（包括数字化过程）对其进行的所有操作。这些操作包括多路复用、可编程增益和跟踪 / 保持等标准操作，还可根据需要添加其他操作：

• 传感器激励
• 放大
• 滤波
• 校准
• 线性化
• 电压 - 电流转换（4 - 20mA；10 - 50mA）
• 均方根（RMS）- 直流转换
• 对数信号压缩
• 共模抑制

为获得最高信噪比，除了共模抑制和滤波操作外，所有信号调理都应在传感器附近进行。滤波器应放置在多路复用器输入附近，这样既能最小化源于传感器输出频谱高端的混叠误差，又能抑制传输到传感器的信号线上拾取的宽带噪声。