数据采集硬件概述

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：数据采集硬件是计算机和外界之间的接口。有些数据采集设备仅拥有上述功能中的一种，很多数据采集设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。数据采集设备可用于最常用的计算机总线，包括USB、PCI、PCIExpress和以太网。最近，数据采集设备已可用于802.11无线网络进行无线通信。表3-4列出了常用数据采集总线的选择指南。

数据采集（DAQ）硬件是计算机和外界之间的接口。它的主要功能是将输入的模拟信号数字化，使计算机能够解读这些信号。

1.数据采集设备的主要功能

（1）模拟输入

模拟输入用于测量模拟信号，是数据采集卡的基本功能，它一般由多路开关、放大器、采样保持电路及A-D转换器来实现。

在模拟输入电路中，A-D转换器的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，这也是数据采集设备的核心。A-D转换器有3种类型：逐次逼近型A-D转换器、双积分型A-D转换器和∑-△型A-D转换器。主要应用于高速采样，如数字示波器等。

（2）模拟输出

模拟输出用于输出模拟信号，通常是为采集系统提供激励。输出信号受D-A转换器的建立时间、转换率和分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D-A转换器可以提供一个较高频率的信号。如果所提供的模拟信号变化比较缓慢，那么就不需要使用速度很快的D-A转换器。实际应用时应根据需要选择合适的D-A转换器。

（3）数字输入/输出

数字I/O用于测量和生成数字信号，通常用来采集外部设备的工作状态，与外部设备通信等。它的重要参数包括数字I/O口路数、接收（发送）率、驱动能力等。一般的数字I/O均采用TTL电平，常见的应用是在计算机和外设（如打印机、数据记录仪等）之间传送数据。需要注意的是，对于大功率外设的驱动需要设计专门的信号处理装置。

（4）计数器/定时器

计数器/定时器用于对数字事件进行计数或产生数字脉冲/信号，如进行精确的时间控制、产生方波等。定时/计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，分辨率越高意味着计数器可以计更多的数；时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。

有些数据采集设备仅拥有上述功能中的一种，很多数据采集设备还拥有实现测量系统和过程自动化的其他功能。例如，数-模转换器（DAC）输出模拟信号，数字I/O线输入和输出数字信号，计数器/定时器计量并生成数字脉冲，以适应多种应用的需要。一般来讲，数据采集设备通常对于某一功能只提供固定数量的通道，比如模拟输入、模拟输出、数字输入/输出以及计数器等；因此，在购买数据采集设备时，需要在当前所需的通道数的基础上再预留一些，这样可在必要时进行更多通道的数据采集。(https://www.chuimin.cn)

2.数据采集设备的组成

数据采集设备用于测量信号的三个主要组成部分为信号调理电路、模-数转换器（ADC）与计算机总线。

（1）信号调理电路

一些DAQ设备含有内置信号调理，用于测量特定的传感器类型。信号调理电路将信号处理成可以输入至ADC的形式。电路包括放大、衰减、滤波和隔离等。

（2）模-数转换器（ADC）

在经计算机等数字设备处理之前，传感器的模拟信号必须转换为数字信号。模-数转换器（ADC）是提供瞬时模拟信号数字显示的一种芯片。实际操作中，模拟信号随着时间不断发生改变，ADC以预定的速率收集信号周期性的“采样”。这些采样通过计算机总线传输到计算机上，在总线上从软件采样重构原始信号。

（3）计算机总线

数据采集设备通过插槽或端口连接至计算机。作为数据采集设备和计算机之间的通信接口，计算机总线用于传输指令和已测量数据。数据采集设备可用于最常用的计算机总线，包括USB、PCI、PCIExpress和以太网。最近，数据采集设备已可用于802.11无线网络进行无线通信。总线有多种类型，对于不同类型的应用，各类总线都能提供各自不同的优势。表3-4列出了常用数据采集总线的选择指南。

表3-4 常用数据采集总线选择指南

表3-4中最大理论数据传输速率基于以下的总线规范：PCI、PCIExpress1.0、PXI、PXI Express1.0、USB2.0、千兆以太网和Wi-Fi802.11g。

数据采集硬件概述

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