为多路、多信号的快速扫描测量构建适当的数据采集系统

在复杂产品的设计验证中，往往需要多路扫描测量混杂着不同物理参数的测试点。例如需要同时监视流量、压力、温度和应力。测量速度有时会随应用而异。对扫描速度的要求也可能有很大的不同。例如，对于大热容量的物体，温度变化通常是慢过程，每秒一次的测量速率捕获温度变化也许已经足够。但当温度在短时间内有急剧变化时，就要以更快的扫描率精确跟踪温度变化。使用如Agilent 34980A多功能开关测量单元及相伴Data Logger Pro 软件这类系统，可以达到更高速度的要求。即使正在使用不同的数据记录仪，也可通过相应的测量技巧，保证尽可能快的扫描。

合理安排被测输入信号的次序

当测量中有多种类型的传感器时，最好把相同类型的传感器编组放到一起。这样做有两个理由：其一是把低电平信号，如热偶产生的信号与其它信号分开，从而把干扰和相互影响减到最小。其二是减少数字万用表频繁改变量程和功能所需要的时间。改变数字万用表的量程和功能往往需花几十毫秒或更长的时间， 这将显著延长扫描时间。理想情况下，所有输入最好都是同一类型和同一量程(例如直流电压，10V量程)，但这是不现实的，有些输入需要衰减，另一些输入需要放大。因此最好的解决方案是按测量类型和输出范围组织输入信号，如表1所示。

测量技巧

把所有类似的测量编组到一起。先把所有热偶测量放到相邻通道中，然后是各直流电压通道，各交流电压通道，依次类推。从而将改变功能所费的时间减到最小。
如有可能，通过匹配输入电平把改变量程所费的时间减到最小。这样做可能需要衰减或放大某些通道的输入信号。
为完全消除量程和功能改变，把所有输入都变换成一种类型，如直流电压，然后在同一量程，如 10V 量程上读出。
用250Ω 端接所有4-20mA电流环，把电流转换成电压。
选择适当的多路开关

多路开关包括多个开关，在任何给定时间，只有某一通道被接到公共输出。扫描速度受多路开关中所用开关类型的影响。电磁继电器坚固，可承受相对大的电压和电流，但如表2所示，速度是很慢的。干簧继电器更快，通常用于数据采集扫描器中。为实现最高的开关速度，就需要使用 FET 开关。但 FET 不能承受大电压，并且有相对高的“导通”电阻。由于数字万用表有极高的输入阻抗，因此 FET 的导通电阻一般不会成为问题。

测量技巧

按测试速度要求选择正确的多路开关。干簧继电器比电枢继电器快，FET 开关则更快。
如有可能，避免跨多路开关阵列。这需要额外的开关时间。
把容性负载效应减到最小，它会减慢测量速度和要求更长的稳定时间。

优化积分式数字万用表的测量

大多数数据记录仪，如Agilent 34970A数据采集单元和 Agilent 34980A 多功能开关测量单元都用高精度积分式 A/D电压表测量， 各种通过多路开关接入的输入信号。积分式数字万用表很好兼顾了速度和精度。如果不需要 6 1/2 位的分辨率，则可选择较短的积分时间，虽然这会降低噪声抑制能力。大多数积分式A/D有自动零功能，它在两次测量间测量内部短路，从而补偿 A/D 中的失调漂移。但这也使测量时间增加一倍。数据采集系统还要花时间执行命令，控制自动量程，更新显示，测量热偶参考结，以及把热偶电压读数转换为温度。所有这些工作都需要时间。因此要仔细考虑这些功能，去掉那些不影响系统精度的活动，这样做能够显著缩短测量时间。

测量技巧

如果数据记录仪周围环境相对稳定，关掉自动零功能。
直接编程数字万用表量程，不要让它处于自动量程模式。
设置正确的积分时间。至少在一个工频周期（PLC）上的积分， 以减小工频相关噪声的影响，但这也把测量速度限制到每秒 50 个读数。
关断前面板显示和键盘。
用另外的恒流源辅助电阻测量，这样就可进行电压测量。
不要过于频繁地测量热偶参考结。
在计算机中，而不要在数据采集系统内进行热偶电压测量值至温度的变换。
快速而精确地得到小引擎温度分布图

对于从冷启动到最终工作温度的瓦斯引擎，温度能在几秒钟内变化好几百度。为了得到精确的温度分布图，在寻求引擎排放批准而进行鉴定测试时，美国环保署(EPA)考虑强制要求每 100-200ms 进行一次温度测量。由于有多至 40-50个传感器，需要达到的扫描速度为每秒 500 个通道或更高。为此需选择正确类型的多路开关，把同类信号编组，在模数转换器测量系统中把量程和功能的改变减到最少，进行数据转换后处理，而不要把数据转换放在数据采集系统中执行，这样，就能从容满足这些 EPA 要求。

总结

大多数数据采集应用都使用一种以上的传感器。如果没有十分重视采取各种必要措施，混合类型的传感器的扫描速度也许不能达到要求。以上已讨论了合理安排输入信号的次序，为应用选择最好的多路开关形式，以及优化数字万用表测量的方法。采取其中某些或全部措施，就能实现多传感器系统的最高扫描速度。