测量中的数据采集系统：构成和信号隔离

一套完整的测量设备或者测量分析系统，包含了传感器、数据采集系统（硬件）和软件分析系统三部分。其中传感器完成了从物理信号到电信号的转换，数据采集系统实现了数据的记录，而软件分析系统完成对数据的分析和处理。数据采集系统在整个测量系统中处于承上启下的作用，是整个测量系统中最“硬”的部分。本期技术分享我们就跟大家聊聊这最“硬”的部分—数据采集系统。

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数据采集系统

数据采集系统的英文描述为 Data AcqusitionSystem ，因此往往简称为DAQ或者 DAS ，中文中也时常简称为 数采 。他在测量系统中完成对物理量以某种格式/形式的采集或记录，以供进一步分析使用。

第一台商用的数据采集系统（IBM 7700）由IBM公司与上世纪60年代投入市场，由于其庞大的体积及昂贵的价格，因而只有大型的政府单位如NASA采购并使用。

同时期Brush公司推出走纸式的记录仪（Brush 220）并不断进行更新，Honeywell公司随后也推出了1858 Visicorder，使用光束代替了以前的“手写笔”,从而使走纸式的记录仪可以达到较高的带宽。

随后产生的磁带式记录仪将带宽提高到更高，并可以进行长时间的数据采集，主要缺点是无法进行图形化的显示。

随着信息技术的发展，PC的出现，NI公司于80年代中期推出了基于PC-DOS系统的数据采集系统及相应的应用软件LabWindows/CVI,并于1992年推出基于Windows系统的LabVIEW。这便是现代数字式记录仪的雏形，它实现了电信号从模拟到数字的转换，并把数字记录在ROM、闪存以及硬盘等数字媒体上。

如今市场上主流的数采生产厂家主要有NI（1976），HBM（1950），LMS(1980)，Brüel & Kjaer（1842），Mecalc（1984）。

现代数据采集系统(DAQ) 是不能独立于传感器和分析软件的部分功能单独运行的，因此，完整的DAQ系统链可以看作包含以下几部分：

◆传感器——将物理环境变量转化为可供测量的模拟信号

◆信号调理——在模拟信号转化为数字信号前对模拟信号进行处理，如隔离，增益，滤波

◆模数转化——将模拟信号转化为数字信号

◆数字信号处理——频谱分析，响度，阶次，模态分析等

图2 完整的DAQ链流程示意图

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数据采集系统(DAQ)的信号隔离

由于环境物理量我们无法直接获取，需要经过相应的传感器将其转化为可供测量的信号后才行，如声信号要用麦克风，振动信号要用加速度计，温度要用温度传感器，转速要用转速传感器测量等。不同的传感器，其工作方式及输出信号类型也不同，因而需要通过数采进行 隔离(Isolation)，增益(Gain)，模数转化(ADC)，滤波处理(Filter) 后，才能进入下一步，如存储，显示，分析等。

图3 数采工作示意图

什么是隔离(Isolation)

Isolation也称Galvanic Isolation(电隔离)，其主要作用为将工作电路与其他电路或电势进行隔离，防止信号受到干扰，确保信号的完整性。

隔离的作用，不进行隔离会有什么影响

在我们的测试环境中，外界的直流（DC）或交流(AC)信号，或多或少的会影响我们的测试，如一些大功率的电源，会产生较大的直流(DC)偏量，又如市电会产生50Hz的交流（AC）信号。如果对这些信号不进行隔离的话，不仅测试数据的准确性会受到影响，甚至会影响到测试设备的使用寿命，更严重的会影响人的生命安全

图4 信号干扰示意图

如何进行隔离

以上面所提到的直流(DC)，交流(AC)信号干扰为例，由于其产生机制不同，处理方式也不同。

交流(AC)信号隔离

交流信号的主要来源于市电或接入市电工作的产品，这些产品中以照明的荧光灯最为明显。由于他们会在信号的Positive(正),Negative（负）上产生同样的电压，因而可以通过差分放大器（Differential Amplifier）来进行过滤，其工作原理为检测输入信号Positive(正)、Negative（负）上的电压差，如果差值为0，则对其进行过滤，而从传感器过来的输入信号Positive(正)、Negative（负）的电压差不会为O，因而不会进行过滤，从而实现交流(AC)信号隔离。

图5 交流（AC）信号隔离示意图

直流(DC)信号隔离

直流信号的主要来源是设备，传感器，及线缆使用不同的接地环路导致，不同接地环路（Ground Loop）上会产生电势差，从而造成电流回流，轻则导致信号失真，重则损坏电路，对于因此产生的直流信号，则通过对差分放大器（Differential Amplifier）的隔离来实现。

图6 直流（DC）信号隔离示意图

隔离面临的新挑战

使用差分放大器（Differential Amplifier），可以很好的解决因外部电势而带来的干扰问题，但另一种干扰，电磁辐射（如出现于新能源测试），其干扰强度远超差分放大器的处理能力，导致测试结果干扰太多而无法使用，甚至于数采设备都无法使用。需通过其他方式来提高数采的抗电磁干扰能力，如Mecalc公司目前采用的集成化封装，以及加强通讯信号线屏蔽能力的方式，值得大家借鉴。

集成化封装

如图1中给出的Mecalc公司的数采，采用一体化设计的铝制外壳，从最外层将电磁辐射与数采板卡进行隔离。这种一体化外壳的设计方式，与组合式的机壳相比，大大减少了因拼接而产生的缝隙，对于无孔不入的电磁辐射而言，可以达到更加优秀的隔离效果。

对于一些更强的电磁辐射，Mecalc公司在设计时通过 对数采板卡进行铝板封装 ，再次提高隔离效果，保护其内部电路免受电磁影响。

屏蔽数据通讯线

在数采与PC的通讯方式上，使用USB连接比较常见，但USB数据通讯在信号隔离上存在一些不足。因此，采用具有更加好的信号屏蔽功能的通讯线是必要的。如Mecalc公司的数采均采用Cat5E双绞线连接，大大提高了通讯线路的抗电磁辐射能力。

图9 USB线缆结构示意图

图11 Cat5E双绞网线结构示意图

USB线和Cat5E网线均有铝箔，编织网来屏蔽外界干扰，这些对付一些普通干扰已经足够，然而在强磁场环境下，Cat5E网线的双绞线设计让其抗干扰能力远超USB线。