数据采集仪作为物理世界与数字世界的桥梁,其性能取决于传感器信号链的完整性与优化程度。信号链从传感器接口到数据输出,经历多级处理,每个环节均需精准控制以确保信号保真。
1.传感器接口与激励
传感器(如热电偶、应变片)将物理量转换为微弱电信号(μV级)。采集仪需提供低噪声激励源(如恒流源)驱动传感器,并通过差分放大抑制共模干扰。例如,在热电偶测温中,冷端补偿电路需动态修正参考温度误差。
2.信号调理:放大与滤波
原始信号需经信号调理电路增强(增益可达1000倍)并滤除噪声。
抗混叠滤波:采用有源低通滤波器(如8阶Butterworth)限制带宽,防止高频噪声混叠至采样频段。
可编程增益放大器(PGA):根据信号幅度自动调整增益,兼顾大动态范围与分辨率。
3.模数转换(ADC)
ADC将模拟信号转换为数字量,关键参数包括:
采样率:需满足奈奎斯特准则(≥2倍信号最高频率),高频振动分析需达MHz级。
分辨率:24位ADC可提供0.0001%的精度,适用于精密压力测量。
同步采样:多通道采集需共享时钟源,避免相位偏差导致数据错位。
4.数据传输与存储
数字信号通过PCIe、以太网或无线模块传输至主机。协议优化(如TCP加速、数据压缩)可降低延迟。本地存储采用NANDFlash或SD卡,支持循环记录与触发存储(如冲击事件捕获)。
5.电源与电磁兼容设计
低功耗设计(如休眠模式)延长电池寿命,而电磁屏蔽(如金属外壳+导电涂层)防止50Hz工频干扰。医疗级设备需通过IEC60601-1-2标准的辐射与抗扰度测试。
典型应用场景
在火箭发射振动监测中,信号链需在10g冲击下保持增益稳定性;在生物电信号采集(如EEG)中,需抑制工频干扰至μV级。通过链式优化(如Σ-ΔADC+数字滤波),现代采集仪已实现24位精度与1MS/s采样率的平衡,推动工业物联网与科学实验的精度边界。