測(cè)量中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：構(gòu)成和信號(hào)隔離

一套完整的測(cè)量設(shè)備或者測(cè)量分析系統(tǒng)，包含了傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（硬件）和軟件分析系統(tǒng)三部分。其中傳感器完成了從物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記錄，而軟件分析系統(tǒng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中處于承上啟下的作用，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中最“硬”的部分。本期技術(shù)分享我們就跟大家聊聊這最“硬”的部分—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的英文描述為 Data AcqusitionSystem ，因此往往簡(jiǎn)稱(chēng)為DAQ或者 DAS ，中文中也時(shí)常簡(jiǎn)稱(chēng)為 數(shù)采 。他在測(cè)量系統(tǒng)中完成對(duì)物理量以某種格式/形式的采集或記錄，以供進(jìn)一步分析使用。

第一臺(tái)商用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（IBM 7700）由IBM公司與上世紀(jì)60年代投入市場(chǎng)，由于其龐大的體積及昂貴的價(jià)格，因而只有大型的政府單位如NASA采購(gòu)并使用。

同時(shí)期Brush公司推出走紙式的記錄儀（Brush 220）并不斷進(jìn)行更新，Honeywell公司隨后也推出了1858 Visicorder，使用光束代替了以前的“手寫(xiě)筆”,從而使走紙式的記錄儀可以達(dá)到較高的帶寬。

隨后產(chǎn)生的磁帶式記錄儀將帶寬提高到更高，并可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，主要缺點(diǎn)是無(wú)法進(jìn)行圖形化的顯示。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，PC的出現(xiàn)，NI公司于80年代中期推出了基于PC-DOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相應(yīng)的應(yīng)用軟件LabWindows/CVI,并于1992年推出基于Windows系統(tǒng)的LabVIEW。這便是現(xiàn)代數(shù)字式記錄儀的雛形，它實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，并把數(shù)字記錄在ROM、閃存以及硬盤(pán)等數(shù)字媒體上。

如今市場(chǎng)上主流的數(shù)采生產(chǎn)廠家主要有NI（1976），HBM（1950），LMS(1980)，Brüel & Kjaer（1842），Mecalc（1984）。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ) 是不能獨(dú)立于傳感器和分析軟件的部分功能單獨(dú)運(yùn)行的，因此，完整的DAQ系統(tǒng)鏈可以看作包含以下幾部分：

◆傳感器——將物理環(huán)境變量轉(zhuǎn)化為可供測(cè)量的模擬信號(hào)

◆信號(hào)調(diào)理——在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)前對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，如隔離，增益，濾波

◆模數(shù)轉(zhuǎn)化——將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)

◆數(shù)字信號(hào)處理——頻譜分析，響度，階次，模態(tài)分析等

圖2 完整的DAQ鏈流程示意圖

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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)的信號(hào)隔離

由于環(huán)境物理量我們無(wú)法直接獲取，需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)化為可供測(cè)量的信號(hào)后才行，如聲信號(hào)要用麥克風(fēng)，振動(dòng)信號(hào)要用加速度計(jì)，溫度要用溫度傳感器，轉(zhuǎn)速要用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量等。不同的傳感器，其工作方式及輸出信號(hào)類(lèi)型也不同，因而需要通過(guò)數(shù)采進(jìn)行 隔離(Isolation)，增益(Gain)，模數(shù)轉(zhuǎn)化(ADC)，濾波處理(Filter) 后，才能進(jìn)入下一步，如存儲(chǔ)，顯示，分析等。

圖3 數(shù)采工作示意圖

什么是隔離(Isolation)

Isolation也稱(chēng)Galvanic Isolation(電隔離)，其主要作用為將工作電路與其他電路或電勢(shì)進(jìn)行隔離，防止信號(hào)受到干擾，確保信號(hào)的完整性。

隔離的作用，不進(jìn)行隔離會(huì)有什么影響

在我們的測(cè)試環(huán)境中，外界的直流（DC）或交流(AC)信號(hào)，或多或少的會(huì)影響我們的測(cè)試，如一些大功率的電源，會(huì)產(chǎn)生較大的直流(DC)偏量，又如市電會(huì)產(chǎn)生50Hz的交流（AC）信號(hào)。如果對(duì)這些信號(hào)不進(jìn)行隔離的話，不僅測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響，甚至?xí)绊懙綔y(cè)試設(shè)備的使用壽命，更嚴(yán)重的會(huì)影響人的生命安全

圖4 信號(hào)干擾示意圖

如何進(jìn)行隔離

以上面所提到的直流(DC)，交流(AC)信號(hào)干擾為例，由于其產(chǎn)生機(jī)制不同，處理方式也不同。

交流(AC)信號(hào)隔離

交流信號(hào)的主要來(lái)源于市電或接入市電工作的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品中以照明的熒光燈最為明顯。由于他們會(huì)在信號(hào)的Positive(正),Negative（負(fù)）上產(chǎn)生同樣的電壓，因而可以通過(guò)差分放大器（Differential Amplifier）來(lái)進(jìn)行過(guò)濾，其工作原理為檢測(cè)輸入信號(hào)Positive(正)、Negative（負(fù)）上的電壓差，如果差值為0，則對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，而從傳感器過(guò)來(lái)的輸入信號(hào)Positive(正)、Negative（負(fù)）的電壓差不會(huì)為O，因而不會(huì)進(jìn)行過(guò)濾，從而實(shí)現(xiàn)交流(AC)信號(hào)隔離。

圖5 交流（AC）信號(hào)隔離示意圖

直流(DC)信號(hào)隔離

直流信號(hào)的主要來(lái)源是設(shè)備，傳感器，及線纜使用不同的接地環(huán)路導(dǎo)致，不同接地環(huán)路（Ground Loop）上會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，從而造成電流回流，輕則導(dǎo)致信號(hào)失真，重則損壞電路，對(duì)于因此產(chǎn)生的直流信號(hào)，則通過(guò)對(duì)差分放大器（Differential Amplifier）的隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 直流（DC）信號(hào)隔離示意圖

隔離面臨的新挑戰(zhàn)

使用差分放大器（Differential Amplifier），可以很好的解決因外部電勢(shì)而帶來(lái)的干擾問(wèn)題，但另一種干擾，電磁輻射（如出現(xiàn)于新能源測(cè)試），其干擾強(qiáng)度遠(yuǎn)超差分放大器的處理能力，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果干擾太多而無(wú)法使用，甚至于數(shù)采設(shè)備都無(wú)法使用。需通過(guò)其他方式來(lái)提高數(shù)采的抗電磁干擾能力，如Mecalc公司目前采用的集成化封裝，以及加強(qiáng)通訊信號(hào)線屏蔽能力的方式，值得大家借鑒。

集成化封裝

如圖1中給出的Mecalc公司的數(shù)采，采用一體化設(shè)計(jì)的鋁制外殼，從最外層將電磁輻射與數(shù)采板卡進(jìn)行隔離。這種一體化外殼的設(shè)計(jì)方式，與組合式的機(jī)殼相比，大大減少了因拼接而產(chǎn)生的縫隙，對(duì)于無(wú)孔不入的電磁輻射而言，可以達(dá)到更加優(yōu)秀的隔離效果。

對(duì)于一些更強(qiáng)的電磁輻射，Mecalc公司在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò) 對(duì)數(shù)采板卡進(jìn)行鋁板封裝 ，再次提高隔離效果，保護(hù)其內(nèi)部電路免受電磁影響。

屏蔽數(shù)據(jù)通訊線

在數(shù)采與PC的通訊方式上，使用USB連接比較常見(jiàn)，但USB數(shù)據(jù)通訊在信號(hào)隔離上存在一些不足。因此，采用具有更加好的信號(hào)屏蔽功能的通訊線是必要的。如Mecalc公司的數(shù)采均采用Cat5E雙絞線連接，大大提高了通訊線路的抗電磁輻射能力。

圖9 USB線纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 Cat5E雙絞網(wǎng)線結(jié)構(gòu)示意圖

USB線和Cat5E網(wǎng)線均有鋁箔，編織網(wǎng)來(lái)屏蔽外界干擾，這些對(duì)付一些普通干擾已經(jīng)足夠，然而在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，Cat5E網(wǎng)線的雙絞線設(shè)計(jì)讓其抗干擾能力遠(yuǎn)超USB線。