数据采集卡的组成

数据采集卡作为硬件的主要组成部分，是外界信号进入PC的桥梁。数据采集卡一般由以下几个部分组成。

1.多路开关

多路开关是将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多路信号的分时采集。

2.放大器

将前一级多路开关切换的采集信号放大到A/D的量程范围内。这种放大器通常是增益可调的放大器。使用时，可以根据信号不同的幅值选择不同的放大倍数。

3.采样保持器

采样保持器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。

4.A/D转换器

把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称为A/D（模拟/数字）转换过程；反之则称为D/A（数字/模拟）转换过程。它们是数字信号处理的必要程序。

A/D转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图6－3所示。

图6－3　A/D转换的过程

（1）采样。采样又称为抽样，是利用采样脉冲序列p（t），从连续时间信号x（t）中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（nT s）的过程。n＝0，1…；T s称为采样间隔或采样周期；1/T s＝f s，称为采样频率。

由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。

（2）量化。量化又称幅值量化，把采样信号x（nT s）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。

若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R＝A/D，R称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nT s）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差，如图6－4所示。

图6－4　信号的6等分量化过程

一般又把量化误差看成是模拟信号进行数字处理时的可加噪声，故而又称其为舍入噪声或截尾噪声。量化增量D越大，则量化误差越大。量化增量大小，一般取决于计算机A/D卡的位数。例如，8位二进制为28＝256，即量化电平R为所测信号最大电压幅值的1/256。

（3）编码。编码是将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。信号x（t）经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。