數據採集單元

數據採集單元又稱模擬量輸入系統，它的作用是隔離、規範輸入電壓，並將模擬輸入量轉換成微機系統所需的數字量，以便與CPU接口。模擬量輸入系統是微機保護裝置中很重要的電路，保護裝置的動作速度和測量精確度等性能都與該電路密切相關。

基本介紹

• 中文名：數據採集單元
• 外文名：data acquisition unit
• 又稱：模擬量輸入系統
• 作用：隔離、規範輸入電壓
• 組成：模數轉換器和數位訊號處理晶片
• 套用學科：網路和接口

概述

數據採集單元又稱模擬量輸入系統，它的作用是隔離、規範輸入電壓，並將模擬輸入量轉換成微機系統所需的數字量，以便與CPU接口。模擬量輸入系統是微機保護裝置中很重要的電路，保護裝置的動作速度和測量精確度等性能都與該電路密切相關。

數字強震動記錄器的數據採集單元主要由模數轉換器(ADC)和數位訊號處理晶片(DSP)組成。模數轉換器是一種過採樣模數轉換器，它把由感測器輸入的模擬信號(電壓)經放大後轉換成高採樣率的數字數據流，再由24位數位訊號處理晶片對其進行去假濾波，輸出所需採樣率的數字數據流。

去假頻濾波是模數轉換中必須具備的一步。根據採樣定理，對模擬信號以一定採樣率採樣後，大於1/2採樣率的頻率成分將成為假信號混疊到有效信號頻寬內，造成數位化信號的誤差。因此必須濾去這種假頻信號。過採樣方法就是先將模擬信號初濾波，模擬濾波器的拐角頻率可取得很高，是信號最高頻率的幾十倍，濾波器的帶外斜率不必很大，這樣就大大降低了模擬濾波器的製作難度。再以遠大於的採樣率對經初濾波的信號進行數位化，得到高採樣率的數位化信號。過採樣的數據進入24位數位訊號處理器後，用數字濾波器進行去假濾波，將大於五的頻率濾去，然後經抽樣得到所需採樣率的數位化數據。

衡量數據採集單元性能的主要技術指標是解析度、採樣率、噪聲和動態範圍等。

性能指標

採樣率

數字強震動記錄器至少應該具備多個不同檔次的採樣率供選擇使用。採樣率與可以從記錄中獲取的最高頻率成分有關，強震動觀測中常用的採樣率為100次/秒和200次/秒，相應可以分辨的最高頻率成分分別為40Hz和80Hz。顯然，高採樣率的記錄比低採樣率的記錄所占的存儲空間大，而且高採樣率記錄的數據傳輸時間也長。

噪聲

記錄器的噪聲大小是指在無感測器輸入信號情況下記錄器本身的記錄採樣輸出值大小，通常用噪聲均方根值來表示。記錄器噪聲的大小直接影響到記錄器的動態範圍。

在記錄器各通道輸人端短接並接地情況下，記錄其個採樣數據，則記錄器噪聲均方根值為

式中為的平均值，的單位為伏。

動態範圍

記錄器的動態範圍定義為滿量程輸入和噪聲(均方根值)之比的常用對數與20的乘積，用分貝(dB)表示。

式中，為滿量程輸入時採樣記錄的有效值，

式中，為滿量程輸入時採樣記錄的振幅值，單位為伏。 ’

記錄器的動態範圍表示記錄器能記錄的最大值與最小值之間的倍數關係。數字強震動儀記錄器的動態範圍應不低於90dB。

解析度

分辯率是指滿量程輸入時，記錄器採樣數據的二進制編碼輸出扣除其噪聲影響後的有效位數。數字強震動儀記錄器的解析度應不小於16位。

式中，為記錄器滿量程輸人時，與輸入信號振幅對應的採樣值。為記錄器輸入端短接時採樣數據的最大值。為記錄器輸入端短接時採樣數據的最小值。

計算時，如果，則取。

頻率回響

將記錄器的輸出與輸入之比表示為輸入信號頻率的函式，稱為記錄器的頻率回響。通常以幅頻特性曲線表示幅值與頻率的關係，以相頻特性曲線表示相移與頻率的關係。理想的幅頻特性曲線應該是在需要的頻率範圍內為一平坦的直線，即輸出輸入之比不隨頻率而改變。理想的相頻特性曲線應該是在需要的頻率範圍內為一斜直線，即相位呈線性變化。數字強震動儀記錄器至少應在0～50Hz範圍內，其幅頻特性曲線是一條平直線，相頻特性曲線為一斜直線(線性相移)。

基本結構類型

常規隨機定址數據採集單元

右圖是目前常用的數據採集電路設計框圖，MUX採用8～16個模擬多路轉換器，會用一個數據放大器、S/H電路、A/D轉換器，同時包括必須的時序和控制邏輯，因此能保證規定精度所要求的建立時間。這種組件系統的利用率高，經濟成本合理。系統的工作原理分析如下：

(1)通道的選擇

模擬多路開關MUX具有16個基本通道，通道解碼選擇是通過6位地址比較器和4位數據鎖存器完成的。6位地址解碼輸入可以擴展到64個通道。4位數據鎖存器接入低4位地址，用來選擇16個基本子通道，片選信號是由6位地址比較器解碼發出的。

(2)12位轉換數據的傳輸控制

本系統採用12位逐次比較型ADC，與微處理器8位數據匯流排連線，因此轉換數據根據地址的狀態需進行二次傳輸。當時，送高4位數據。如果“或”門輸出為低，三態鎖存器選通轉換數據讀出。

(3)氣數據採集的時序控制

由於信號的採集和轉換需要一定的建立時間來保證精度要求。因此數據採集模組的工作進程是需要進行定時控制的，這由右圖中的單穩74221來完成。

當MUX中的一個子通道選通後，數據匯流排有效狀態信號，6位地址比較器輸出端為低，則“或”門A輸出為低。使“或”門為信號的發出準備邏輯條件，“或”門B的輸出，觸發單穩的端，產生的採樣定時脈衝，於是組件處於跟蹤工作方式。這一過程是與MUX的通道選擇同時進行的，直到啟動命令發出為止。

在採樣延時結束後，單穩端輸出為低，端被觸發，經後，端輸出觸發端，開始轉換直到，該狀態信號使數據鎖存器的端和門輸出均為低，三態輸出鎖存器選通。同時，向發出信號表示轉換經束。

在轉換數據未被讀入記憶體前，單穩狀態不變，因此數據一直保持有效。電路的時序波形如右圖(b)所示。假設採樣延時為，轉換時間為，一次轉換周期為。

這種結構的唯一缺點是要等待發出狀態信號後，才向發齊備信號。所以在時間上和效率上不是非常理想的結構，但它能適用於大多數場合，是目前廣泛套用的電路結構。

數據採集並行轉換結構

右圖是一種快速16通道並行轉換數據採集結構，圖中電路由16個組成，由同一個解碼器進行解碼選擇，輸出構成“或”邏輯匯集於數據匯流排。它的最大優點是能夠直接存取數據，電路設計簡單。但必須考慮性價比。右圖上省略了組件和數據鎖存器，而這些對一個快速系統顯然是需要的，因此眾多元件的價格限制了它的廣泛套用。隨著單片集成價格的下降，它將是比較理想的高速結構。

右圖中採用一個4～16線的地址解碼器對16個進行選通。如果轉換時間在存貯器讀寫期之內，則不需要插入機器的等待周期，這時像操作存貯器一樣讀取數據。解碼器的控制，是由6位地址比較器的端信號以及數據有效信號完成的。三態驅動器用來控制時鐘信號和信號。當是讀出狀態時時鐘被禁止，這時不工作以保證數據的有效性。

配有存貯器的數據採集結構

與上述兩種類型相比，配有存貯器(RAM)的多通道數據採集組件的性價比最好，效率最高。由於配備了專用的RAM，所以可直接讀取RAM中數據，不需要等待外圍設備的齊備信號。也不必編寫專用的子程式，只要讀出或狀態標誌就足夠了。

右圖原理框圖中採用4 x 6的RAM，軟換後的有效數據直接存放在RAM中。電路採用二進制計數器進行MUX通道選擇和RAM數據的更新；三個單穩電路用來完成轉換的時序控制。

通道解碼選擇和前面兩種類型略有不同。因為每一採樣通道轉換的數據是和RAM單元中存放的數據一一對應的。所以在進行下一次新的採樣時，MUX通道的變更和：RAM地址更新同步進行。計數器的4位地址輸出，同時對MUX和RAM進行定址。而計數器時鐘OK端則由解碼的地址比較器輸出控制。

時序控制是由單穩電路組成，其基本原理與右圖類似，我們通過右圖(b)的時間波形來討論這一過程。

當轉換結束時，轉換結束狀態信號，單穩端被觸發，向RAM的端發一個寫入脈衝。轉換數據存入RAM中。同時清除二進制計數器，送出通道和RAM的新地址，準備下一次數據轉換。

此外單穩1的端同時觸發單穩2的端，起動採樣/保持電路，觸發脈寬取決於採樣信號的建立時間，本電路取為。經延時後，單穩2的輸出端信號使在保持方式工作，由單穩3發出一個啟動信號至端，經後完成數據轉換並存入RAM。在模擬讀出狀態時，單穩1的端由原來的0變為1使單穩鎖住，以保證可靠的讀數。

這種電路可以使能夠任意地選擇RAM地址和讀出MUX中的相應通道數據。這是由於地址比較器的輸出，RAM地址輸入和二進制計數器的輸出都連線到地址匯流排上。