數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（daq或das）是一種從傳感器獲取數(shù)據(jù)的電子儀器，通?？蓴U(kuò)展為儀器儀表和控制系統(tǒng)。這種儀器通常具有多通道、中到高分辨率（12~20位），而且采樣率相對(duì)較低（比示波器慢）。本文是關(guān)于該儀器工作原理的基礎(chǔ)教程，著重介紹daq原理和傳感器。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（daq或das）是一種從傳感器獲取數(shù)據(jù)的電子儀器，通?？蓴U(kuò)展為儀器儀表和控制系統(tǒng)。這種儀器通常具有多通道、中到高分辨率（12~20位），而且采樣率相對(duì)較低（比示波器慢）。本文是關(guān)于該儀器工作原理的基礎(chǔ)教程，著重介紹daq原理和傳感器。

我們以一個(gè)火箭測(cè)試系統(tǒng)為例，驗(yàn)證在試驗(yàn)臺(tái)上靜態(tài)發(fā)射的小型火箭的性能。測(cè)試點(diǎn)火必須由控制器排序，還需要das來(lái)獲取傳感器數(shù)據(jù)?；鸺郎y(cè)試控制系統(tǒng)必須知道火箭內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，這需要一個(gè)儀器子系統(tǒng)來(lái)提供。傳感器將感興趣的數(shù)據(jù)（例如容器壓力或加速度）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以便與控制計(jì)算機(jī)的輸入格式兼容。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

被測(cè)量數(shù)據(jù)通常由das轉(zhuǎn)換為控制計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字形式。一個(gè)典型的das如圖1所示。

圖1：典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

傳感器波形進(jìn)入抗混疊濾波器，濾除高頻分量。有時(shí)防止混疊是必要的，因?yàn)榛殳B會(huì)產(chǎn)生雜散波形?；殳B的一個(gè)常見(jiàn)例子是電影或電視中出現(xiàn)輪輻向后旋轉(zhuǎn)的畫(huà)面。電影或電視信號(hào)的連續(xù)圖像幀其實(shí)不是連續(xù)的，有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生差異頻率（或拍頻）而導(dǎo)致這種雜亂圖像出現(xiàn)。如果傳感器波形沒(méi)有“減慢”到足以消除導(dǎo)致混疊的快速變化，das就會(huì)產(chǎn)生雜散波形。對(duì)連續(xù)數(shù)值進(jìn)行采樣并輸出離散數(shù)值序列的任何過(guò)程都可能引起混疊。為避免混疊情況的發(fā)生，達(dá)到或超過(guò)采樣率一半的所有頻率都將被濾波器濾除。

mux是模擬多路復(fù)用器，是一種類(lèi)似電視頻道開(kāi)關(guān)的電子開(kāi)關(guān)。微型計(jì)算機(jī)（μc）可以控制mux切換到特定的傳感器輸入通道，依次選擇每個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量。pga是一種可編程增益放大器。不同的傳感器需要不同的波形放大量，pga增益是由μc控制的。a/d轉(zhuǎn)換器（或adc）將經(jīng)過(guò)濾波和放大的模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以便輸入μc。

adc可以區(qū)分的模擬輸入電壓離散值的數(shù)目就是其分辨率，以位為單位。對(duì)于n位分辨率，其輸出結(jié)果的數(shù)目是2n。12位adc可以區(qū)分212（即4096）個(gè)不同的模擬輸入值。如果其滿(mǎn)量程范圍為4.096v，則這4096個(gè)輸入電平的間隔正好是1mv。因此，adc的12位數(shù)字輸出具有1mv/次的分辨率，或每個(gè)最低有效位（lsb）為1mv，可以表示為1mv/lsb。

計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理來(lái)自adc的采樣感應(yīng)信號(hào)，但要以數(shù)字形式處理。adc計(jì)數(shù)是未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)，adc之前的傳感器和模擬das電路因?yàn)椴粶?zhǔn)確性會(huì)引起偏移和增益（斜率）誤差，因此必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。必要的話(huà)，得到的結(jié)果還要針對(duì)傳感器非線(xiàn)性進(jìn)行校正。

用于火箭飛行或測(cè)試的傳感器通常包括：

溫度傳感器：熱電偶、rtd、熱敏電阻和固態(tài)；

壓力傳感器：硅或藍(lán)寶石；

流量傳感器：渦輪、超聲波多普勒；

慣性傳感器：速率和垂直陀螺儀、固態(tài)加速和旋轉(zhuǎn)傳感器、傾斜開(kāi)關(guān)；

接近傳感器：微動(dòng)開(kāi)關(guān)；

電傳感器：電壓和電流檢測(cè)；

低溫傳感器：低溫?zé)崦綦娮琛?/p>

大多數(shù)傳感器按測(cè)量值輸出一個(gè)電壓，還有一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)（增益），例如，壓力傳感器的v/kn，以及溫度傳感器的v/oc。電壓發(fā)生在兩個(gè)電路節(jié)點(diǎn)上。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的0v參考節(jié)點(diǎn)或接地，則傳感器輸出是相對(duì)于地的電壓。在節(jié)點(diǎn)上相對(duì)于地測(cè)量的電壓是單端電壓。

有些傳感器有兩個(gè)端子，它們的輸出電壓出現(xiàn)在兩個(gè)端子上，都沒(méi)有接地。這是差分電壓，因?yàn)樗鼈兪敲總€(gè)端子相對(duì)于地測(cè)量的電壓差，有時(shí)也被稱(chēng)為“浮地”。

當(dāng)傳感器作為一種稱(chēng)為電橋的常見(jiàn)儀器電路的一部分時(shí)，其輸出一般是差分輸出。“傳感器電橋電路”示意圖（圖2）顯示了其在壓力傳感器電橋中的應(yīng)用。電橋輸出電壓是ain+和ain-這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于地測(cè)量的電壓差。換句話(huà)說(shuō)，將電壓表負(fù)輸入端連接到接地端子可測(cè)量ain-的電壓。

基于電橋的傳感器類(lèi)型包括rtd（溫度）、壓力和應(yīng)力傳感器。這些傳感器的電阻隨測(cè)量數(shù)而變化。在圖3中，壓力傳感器配置為由兩個(gè)具有相反極性的應(yīng)變計(jì)驅(qū)動(dòng)。

圖2：“傳感器電橋電路”示意圖。

電橋電路包含兩個(gè)由電橋電源驅(qū)動(dòng)的分壓器，每個(gè)雙電阻分壓器都是半橋，電橋輸出靈敏度與電橋激勵(lì)電壓成正比。對(duì)于半橋傳感器，另一個(gè)半橋就是一個(gè)二等分分壓器，由精確匹配的等值電阻組成。

兩個(gè)應(yīng)變片連接到橋臂的相對(duì)兩側(cè)，因此當(dāng)它彎曲時(shí)，頂部應(yīng)變片的電阻增加（+ε），而底部應(yīng)變片減小（-ε）。沒(méi)有彎曲時(shí)，兩個(gè)傳感器理論上具有相同的電阻，并且ain+處的電壓是電橋電壓vbr的一半。對(duì)于零電平處零差分輸入電壓，另一個(gè)由穩(wěn)定的等值電阻（r）組成的分壓器在ain-端將vbr分為一半。ain+的輸出電壓在電橋電壓一半左右發(fā)生變化，從而產(chǎn)生雙極（+/-）差分輸出。

2線(xiàn)、3線(xiàn)和4線(xiàn)電橋

對(duì)于電橋驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路中可忽略不計(jì)的電壓降，在儀表系統(tǒng)電路板（如vbr/2）上可以復(fù)制出精確的半橋電壓，并通過(guò)電路板上的配置跳線(xiàn)為ain-輸入。該半橋電壓可通過(guò)專(zhuān)用通道測(cè)量，并作為橋式傳感器的偏移。利用板載半橋，只需要一條傳感器輸出線(xiàn)（ain+）和兩條電橋電源線(xiàn)接到每個(gè)傳感器電橋。

對(duì)于全橋傳感器，ain+和ain-端都從傳感器接出，并在采集板上測(cè)量電橋電壓。對(duì)于電橋接線(xiàn)中可忽略不計(jì)的電壓降，這些布線(xiàn)方案是令人滿(mǎn)意的。

對(duì)于電橋電源線(xiàn)中不可忽略的電壓降，需要進(jìn)行4線(xiàn)檢測(cè)。四線(xiàn)（或kelvin檢測(cè)）是最準(zhǔn)確的，它使用單獨(dú)的電橋驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)線(xiàn)對(duì)。

rtd溫度傳感器

rtd（電阻溫度器件）利用鉑這類(lèi)金屬的可重復(fù)溫度系數(shù)（tc）原理。rtd在一定程度上呈非線(xiàn)性，需要校正。標(biāo)準(zhǔn)rtd曲線(xiàn)將電阻表示為溫度的函數(shù)，例如鉑rtd的pt100（din 43760）曲線(xiàn)。在0oc和100oc的電阻tc可表示為：

對(duì)于pt100曲線(xiàn)，α=3.850x10-3/oc，但α在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不是恒定不變的。一般的rtd方程是：

其中r0是0oc時(shí)的電阻（100ω或1kω），求解t：

從-100oc至+800oc（這是封裝好的rtd的工作范圍），100ω的rtd電阻變化約6.48倍，從60.25ω到390.26ω，tc為正。

典型的1kω薄膜rtd有sensing devices公司（sdi）gr2141和minco s251pf12（或熱敏帶s17624pf440b）。sdi pt100/15p的r0為100ω，s251pf12為1kω。

與壓力傳感器不同，rtd電橋僅使用一個(gè)傳感器，如圖3所示，適用于單端電橋電路。agnd是模擬地，是測(cè)量系統(tǒng)中與系統(tǒng)地連接的獨(dú)立接地端。

圖3：rtd電橋僅使用一個(gè)傳感器，適用于單端電橋電路。

熱電偶

當(dāng)兩種不同的金屬連接時(shí)就形成熱電偶，比如點(diǎn)焊。兩種金屬之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電壓，這個(gè)電壓隨著結(jié)溫的變化而變化。k型（鉻鎳鋁合金）或j型（鐵-康銅）熱電偶是最常見(jiàn)的，可用于測(cè)量rtd和熱敏電阻無(wú)法測(cè)量的高溫度。

k型熱電偶不像j型那樣靈敏，但具有更高的溫度范圍。與熱電偶線(xiàn)的每一個(gè)連接都構(gòu)成另一個(gè)熱電偶傳感器。若使用銅線(xiàn)，銅-鉻和銅-鋁連接就形成兩個(gè)額外的熱電偶。這些不期望的熱電偶稱(chēng)為參比端或冷端熱電偶，必須通過(guò)某種補(bǔ)償措施來(lái)消除它們的影響。

通過(guò)將熱電偶線(xiàn)接到儀表板連接器，參比端將靠近熱電偶處理電路，而且溫度大致相同。冷端補(bǔ)償電路可以測(cè)量這一溫度并補(bǔ)償熱電偶的電路輸出。

可以使用單獨(dú)的溫度傳感器來(lái)測(cè)量冷端附近的環(huán)境溫度，并在計(jì)算機(jī)中完成補(bǔ)償。

可對(duì)熱電偶電壓進(jìn)行放大和冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕技呻娐酚衋di公司的k型（鉻鎳鋁合金）熱電偶ad595，以及j型（鐵-康銅）熱電偶ad594。它們的輸出分別為：

為了將高溫測(cè)量范圍擴(kuò)展到1250oc（k型）和750oc（j型），需要將輸出電壓切分（比如除以3），以適應(yīng)adc的典型4.1v fs范圍。

環(huán)境溫度

adi公司的ad22100 ic是一款低成本、三引腳硅基溫度傳感器，可以方便地檢測(cè)環(huán)境溫度。它的模擬電壓輸出為：

其中vcc是ad22100的電源電壓，它的工作溫度范圍為-50oc至+150oc，滿(mǎn)量程誤差為±2％。這種傳感器的輸出隨vcc成比例變化。它由電橋電壓(vbr)供電，可以使用電橋補(bǔ)償來(lái)跟蹤電橋電壓的漂移。

ad22100可以進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，因?yàn)樗且环N線(xiàn)性變換器（誤差接近其±1％非線(xiàn)性規(guī)范）。

對(duì)于精度稍低的校準(zhǔn)，將（電絕緣）傳感器浸入冰水中，一點(diǎn)校準(zhǔn)至0oc，或用另一個(gè)溫度計(jì)或（已校準(zhǔn)的）溫度通道來(lái)測(cè)量傳感器的溫度。如果測(cè)量通道已經(jīng)過(guò)電壓校準(zhǔn)并使用上述公式，則無(wú)需進(jìn)行溫度測(cè)量，盡管其精度約為±2％。

ad22100在4v至6v vcc電壓下工作，可由4.1v電橋電源供電。來(lái)自adc的原始數(shù)據(jù)值是：

環(huán)境壓力

要測(cè)量環(huán)境壓力，一款值得推薦的傳感器是motorola mpx2202ap。這是一款低成本、絕對(duì)檢測(cè)、200kpa（29psi）全量程的硅基壓力傳感器。它可以用作氣壓計(jì)，因?yàn)樗鼨z測(cè)絕對(duì)壓力，大氣壓力可以轉(zhuǎn)換為海拔高度。它還具有足夠大的范圍來(lái)檢測(cè)一般飛行器的動(dòng)態(tài)壓力。

mpx2202ap是一個(gè)完整的補(bǔ)償電橋電路，其輸出與電源電壓成比例。它可以一點(diǎn)或兩點(diǎn)校準(zhǔn)。對(duì)于4.1v電橋電源，在滿(mǎn)量程時(shí)，其輸出約為16.4mv，標(biāo)稱(chēng)比例因子為82μv/kpa。零標(biāo)度（zs）處于零壓力，偏移電壓誤差指定為±1mv。

要計(jì)算所需的增益，可將adc滿(mǎn)量程輸入電壓（vbr=4.1v）除以傳感器滿(mǎn)量程輸出并向下舍入，得到增益為x100。這為捕獲突發(fā)故障數(shù)據(jù)提供了足夠的處理能力。

同類(lèi)傳感器還有sensym scx30anc和trw novasensor npc-410-30-a。一些電橋傳感器，例如motorola mpx4250（250kpa fs），具有不同于vbr的電橋電壓。必須跟蹤它們的電橋電壓（通過(guò)另一個(gè)通道測(cè)量）來(lái)補(bǔ)償電橋靈敏度，以達(dá)到最大精度。

加速度傳感器

適用于大多數(shù)探空火箭和其它低g應(yīng)用的加速度傳感器有adi adxl105。它價(jià)格低廉，是一種硅基器件，測(cè)量范圍為±5g。它可以利用重力進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)。在最大加速方向上，輸入約為1g。反轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)180o），其輸入為-1g。地球表面的標(biāo)稱(chēng)值g0為9.806m/s2。

電源電壓和電流

地面電源或板載電池通?？梢酝ㄟ^(guò)分壓器檢測(cè)。差分電壓測(cè)量通道的優(yōu)勢(shì)在于它們能夠測(cè)量“浮地”電壓，例如與電池正極串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻兩端的電壓。

流量輸入

典型的渦輪流量傳感器一般設(shè)計(jì)為磁片流量傳感器。渦輪葉片中的磁體旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)傳感器主體中的線(xiàn)圈，并在其中引起電壓脈沖。在感興趣的流量范圍內(nèi)，典型的脈沖幅度至少為50mv。最大流量脈沖率通常為100hz至幾khz。

這些脈沖通常由模擬電路處理，并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)字脈沖，然后輸入到由計(jì)算機(jī)控制的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)在準(zhǔn)確的時(shí)間間隔內(nèi)累積，通常由計(jì)算機(jī)的時(shí)基控制設(shè)定。也就是說(shuō)，另一個(gè)計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器定期中斷計(jì)算機(jī)。在這些中斷之間建立準(zhǔn)確的時(shí)間間隔，用作頻率計(jì)數(shù)器的時(shí)基。頻率為：

其中n是時(shí)間間隔δt上的計(jì)數(shù)次數(shù)。

低溫?zé)崦綦娮?/p>

低溫?zé)崦綦娮枋且环N高度非線(xiàn)性的溫度傳感器，可用于檢測(cè)低溫流體的存在?？梢詫⑵浞胖迷谌萜鞯目仗?，用于檢測(cè)空處何時(shí)被填充。它們可以放置在分壓器的高壓側(cè)，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字位輸入。

一個(gè)典型的低溫?zé)崦綦娮枋莟hermometrics公司的a105ctp100de104r熱探針。它在液氮沸點(diǎn)(-195.82oc)下具有100kω的電阻。lox（液態(tài)氧）沸點(diǎn)為-183oc，它在-185oc時(shí)的電阻為54322ω，在-180oc時(shí)為37081ω。但在-100oc時(shí)，只有146ω。可以將熱探針設(shè)置為由+5v電壓驅(qū)動(dòng)的分壓器的上部電阻，在1kω左右的較低電阻下，分壓器輸出可直接驅(qū)動(dòng)ttl電平數(shù)字計(jì)算機(jī)輸入。

結(jié)語(yǔ)

在本文第二部分，我們將討論das系統(tǒng)的采集和處理策略及校準(zhǔn)。

（原文刊登于aspencore旗下edn英文網(wǎng)站，參考鏈接：。）

本文為《電子技術(shù)設(shè)計(jì)》2019年1月刊雜志文章。

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