數(shù)據(jù)采集儀作為物理世界與數(shù)字世界的橋梁,,其性能取決于傳感器信號鏈的完整性與優(yōu)化程度,。信號鏈從傳感器接口到數(shù)據(jù)輸出,,經(jīng)歷多級處理,,每個環(huán)節(jié)均需精準控制以確保信號保真,。
1.傳感器接口與激勵
傳感器(如熱電偶,、應變片)將物理量轉(zhuǎn)換為微弱電信號(μV級),。采集儀需提供低噪聲激勵源(如恒流源)驅(qū)動傳感器,并通過差分放大抑制共模干擾,。例如,,在熱電偶測溫中,冷端補償電路需動態(tài)修正參考溫度誤差,。
2.信號調(diào)理:放大與濾波
原始信號需經(jīng)信號調(diào)理電路增強(增益可達1000倍)并濾除噪聲,。
抗混疊濾波:采用有源低通濾波器(如8階Butterworth)限制帶寬,防止高頻噪聲混疊至采樣頻段,。
可編程增益放大器(PGA):根據(jù)信號幅度自動調(diào)整增益,,兼顧大動態(tài)范圍與分辨率。
3.模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)
ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,,關(guān)鍵參數(shù)包括:
采樣率:需滿足奈奎斯特準則(≥2倍信號最高頻率),,高頻振動分析需達MHz級。
分辨率:24位ADC可提供0.0001%的精度,,適用于精密壓力測量,。
同步采樣:多通道采集需共享時鐘源,避免相位偏差導致數(shù)據(jù)錯位,。
4.數(shù)據(jù)傳輸與存儲
數(shù)字信號通過PCIe,、以太網(wǎng)或無線模塊傳輸至主機。協(xié)議優(yōu)化(如TCP加速,、數(shù)據(jù)壓縮)可降低延遲,。本地存儲采用NANDFlash或SD卡,,支持循環(huán)記錄與觸發(fā)存儲(如沖擊事件捕獲)。
5.電源與電磁兼容設(shè)計
低功耗設(shè)計(如休眠模式)延長電池壽命,,而電磁屏蔽(如金屬外殼+導電涂層)防止50Hz工頻干擾,。醫(yī)療級設(shè)備需通過IEC60601-1-2標準的輻射與抗擾度測試。
典型應用場景
在火箭發(fā)射振動監(jiān)測中,,信號鏈需在10g沖擊下保持增益穩(wěn)定性,;在生物電信號采集(如EEG)中,需抑制工頻干擾至μV級,。通過鏈式優(yōu)化(如Σ-ΔADC+數(shù)字濾波),,現(xiàn)代采集儀已實現(xiàn)24位精度與1MS/s采樣率的平衡,推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與科學實驗的精度邊界,。
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