一套完整的測量設備或者測量分析系統，包含了傳感器、數據采集系統（硬件）和軟件分析系統三部分。其中傳感器完成了從物理信號到電信號的轉換，數據采集系統實現了數據的記錄，而軟件分析系統完成對數據的分析和處理。數據采集系統在整個測量系統中處于承上啟下的作用，是整個測量系統中最“硬”的部分。本期技術分享我們就跟大家聊聊這最“硬”的部分—數據采集系統。

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數據采集系統

數據采集系統的英文描述為 Data AcqusitionSystem ，因此往往簡稱為DAQ或者 DAS ，中文中也時常簡稱為 數采 。他在測量系統中完成對物理量以某種格式/形式的采集或記錄，以供進一步分析使用。

第一臺商用的數據采集系統（IBM 7700）由IBM公司與上世紀60年代投入市場，由于其龐大的體積及昂貴的價格，因而只有大型的政府單位如NASA采購并使用。

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

隨后產生的磁帶式記錄儀將帶寬提高到更高，并可以進行長時間的數據采集，主要缺點是無法進行圖形化的顯示。

隨著信息技術的發展，PC的出現，NI公司于80年代中期推出了基于PC-DOS系統的數據采集系統及相應的應用軟件LabWindows/CVI,并于1992年推出基于Windows系統的LabVIEW。這便是現代數字式記錄儀的雛形，它實現了電信號從模擬到數字的轉換，并把數字記錄在ROM、閃存以及硬盤等數字媒體上。

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

現代數據采集系統(DAQ) 是不能獨立于傳感器和分析軟件的部分功能單獨運行的，因此，完整的DAQ系統鏈可以看作包含以下幾部分：

◆傳感器——將物理環境變量轉化為可供測量的模擬信號

◆信號調理——在模擬信號轉化為數字信號前對模擬信號進行處理，如隔離，增益，濾波

◆模數轉化——將模擬信號轉化為數字信號

◆數字信號處理——頻譜分析，響度，階次，模態分析等

圖2 完整的DAQ鏈流程示意圖

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數據采集系統(DAQ)的信號隔離

由于環境物理量我們無法直接獲取，需要經過相應的傳感器將其轉化為可供測量的信號后才行，如聲信號要用麥克風，振動信號要用加速度計，溫度要用溫度傳感器，轉速要用轉速傳感器測量等。不同的傳感器，其工作方式及輸出信號類型也不同，因而需要通過數采進行 隔離(Isolation)，增益(Gain)，模數轉化(ADC)，濾波處理(Filter) 后，才能進入下一步，如存儲，顯示，分析等。

圖3 數采工作示意圖

什么是隔離(Isolation)

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

隔離的作用，不進行隔離會有什么影響

在我們的測試環境中，外界的直流（DC）或交流(AC)信號，或多或少的會影響我們的測試，如一些大功率的電源，會產生較大的直流(DC)偏量，又如市電會產生50Hz的交流（AC）信號。如果對這些信號不進行隔離的話，不僅測試數據的準確性會受到影響，甚至會影響到測試設備的使用壽命，更嚴重的會影響人的生命安全

圖4 信號干擾示意圖

如何進行隔離

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

交流(AC)信號隔離

交流信號的主要來源于市電或接入市電工作的產品，這些產品中以照明的熒光燈最為明顯。由于他們會在信號的Positive(正),Negative（負）上產生同樣的電壓，因而可以通過差分放大器（Differential Amplifier）來進行過濾，其工作原理為檢測輸入信號Positive(正)、Negative（負）上的電壓差，如果差值為0，則對其進行過濾，而從傳感器過來的輸入信號Positive(正)、Negative（負）的電壓差不會為O，因而不會進行過濾，從而實現交流(AC)信號隔離。

圖5 交流（AC）信號隔離示意圖

直流(DC)信號隔離

直流信號的主要來源是設備，傳感器，及線纜使用不同的接地環路導致，不同接地環路（Ground Loop）上會產生電勢差，從而造成電流回流，輕則導致信號失真，重則損壞電路，對于因此產生的直流信號，則通過對差分放大器（Differential Amplifier）的隔離來實現。

圖6 直流（DC）信號隔離示意圖

隔離面臨的新挑戰

使用差分放大器（Differential Amplifier），可以很好的解決因外部電勢而帶來的干擾問題，但另一種干擾，電磁輻射（如出現于新能源測試），其干擾強度遠超差分放大器的處理能力，導致測試結果干擾太多而無法使用，甚至于數采設備都無法使用。需通過其他方式來提高數采的抗電磁干擾能力，如Mecalc公司目前采用的集成化封裝，以及加強通訊信號線屏蔽能力的方式，值得大家借鑒。

集成化封裝

如圖1中給出的Mecalc公司的數采，采用一體化設計的鋁制外殼，從最外層將電磁輻射與數采板卡進行隔離。這種一體化外殼的設計方式，與組合式的機殼相比，大大減少了因拼接而產生的縫隙，對于無孔不入的電磁輻射而言，可以達到更加優秀的隔離效果。

對于一些更強的電磁輻射，Mecalc公司在設計時通過 對數采板卡進行鋁板封裝 ，再次提高隔離效果，保護其內部電路免受電磁影響。

屏蔽數據通訊線

在數采與PC的通訊方式上，使用USB連接比較常見，但USB數據通訊在信號隔離上存在一些不足。因此，采用具有更加好的信號屏蔽功能的通訊線是必要的。如Mecalc公司的數采均采用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線纜結構示意圖

圖11 Cat5E雙絞網線結構示意圖

USB線和Cat5E網線均有鋁箔，編織網來屏蔽外界干擾，這些對付一些普通干擾已經足夠，然而在強磁場環境下，Cat5E網線的雙絞線設計讓其抗干擾能力遠超USB線。