第一章2节数据采集系统.

第2节数据采集系统03:0412.1概述微型计算机广泛应用于测量和控制，形成了各种各样的通用或专用微机测控系统。数据采集系统能把模拟的物理参数的真实世界与数字处理和数字控制的仿真世界连接起来，实现数据转换与传送的功能。03:042•图2.1.1数据采集与控制系统03:043••数据采集系统（设备）•是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。•微机数据采集系统•单片机数据采集系统就是将外部世界的信息，连续变化的物理量形式，例如温度、压力、位移、速度等，将这些信息送入计算机进行处理。将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，方便使用。•03:044图2.1.2微机数据采集系统03:045输出控制数据分配是数据收集的逆向转换，在计算机化的反馈控制系统中数据采集作为系统的输入，计算机通过数据分配系统输出控制功能来闭合过程控制回路。一般计算机的控制输出是数字数据，-----DO有时需要转换成模拟信号以驱动过程。D/A转换采用D/A转换器，每个D/A转换器是通过缓冲锁存器与计算机数据总线相连接，锁存器的操作是由计算机控制的地址译码与控制逻辑来完成。03:046图2.1.3计算机控制系统阀门03:047设计数据采集系统基本问题如下：①输入输出通道的分辨率及精度；②输入输出通道数及多通道的结构配置；③输入通道的采样速率及数据吞吐率；④输出通道的稳定时间；⑤输入模拟信号的调理；⑥输出负载特性及驱动问题；⑦与微机接口时寻址和控制方式；⑧成本因素。03:048建立数据采集系统的方式有两种：其一，选用标准集成电路自行设计所需要的数据采集系统，这就是芯片级设计。其二，选用通用模块板，通过标准总线的连接构成所要求的数据采集系统，这就是板级设计，也称之为系统集成。前者经济合理，对设计者要求高，且周期长；后者可扩展性好，周期短，但成本远高于前者，对特殊要求的应用不能完全适用。03:0492.2数据采集原理数据采集系统是数据获取与数据分配的综合系统，既具有模拟信号转换为数字信号的功能，又具有数字信号转换为模拟信号的功能。可以说数据采集系统是实现信号变换并进行数据传输的集计算机、模数转换与数模转换于一体的混合系统。03:0410A/D--模拟信号转换为数字信号的过程是采样过程与量化过程的结合，采样的实质是将连续信号离散化(采样），量化的过程是将已离散的信号进行编码变换成数字码的过程。D/A--数字信号转换为模拟信号的过程是将已采样信号恢复的过程。03:0411DO--开关量(数字量)信号输出的过程。DigitalOutput它可由控制软件将输出通道变成高电平或低电平，通过驱动电路即可带动继电器或其他开关元件动作，也可驱动指示灯显示状态。开关量输出DO信号可用来控制开关、交流接触器、变频器以及可控硅等执行元件动作。DI--开关量(数字量)信号输入的过程DigitalInputI/O输出/输出03:0412采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。Ts称为采样间隔，或采样周期，1/Ts=fs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。1、A/D转换模拟信号0,1,2,3,2,1,…采样量化数字信号§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0413012345678012345编码―将离散幅值经过量化以后变为二进制数的过程4位A/D:XXXXX(1)0101X(2)0011X(3)0000量化―把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，称为量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0x(4)=0x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信号的六等份量化过程§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:04142)A/D转换器的技术指标(1)分辨率用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。(2)转换速度指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1kHz)；10us(100kHz)(3)模拟信号的输入范围如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:04152)A/D转换器的技术指标(4)转换精度A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换精度。a)分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的分辨能力，有n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级，因此分辨率=VImax/2n，式中，VImax是输入模拟信号的最大值。b)A/D转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于＋1/2LSB。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:04162、D/A转换过程和原理D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。D/A转换器一般先通过T型电阻网络将数字信号转换为模拟电脉冲信号，然后通过零阶保持电路将其转换为阶梯状的连续电信号。只要采样间隔足够密，就可以精确的复现原信号。为减小零阶保持电路带来的电噪声，还可以在其后接一个低通滤波器。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0417D/A转换器的技术指标(1)分辨率D/A转换器的分辨力用可用输入的二进制数码的位数来表示。位数越多，则分辨力也就越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位、32位等。12位D/A转换器的分辨率为1/212=0.024%。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0418D/A转换器的技术指标(2)转换精度转换精度定义为实际输出与期望输出之比。以全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。理论上D/A转换器的最大误差为最低位的1/2，10位D/A转换器的分辨率为1/210，约为0.1%，它的精度为0.05%。如10位D/A转换器的满程输出为10V，则它的最大输出误差为10V×0.0005=5mV。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0419D/A转换器的技术指标(3)转换速度转换速度是指完成一次D/A转换所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。1ms(1k)所有通道的转换工作必须在一个采样间隔中完成，否则，会造成数据积压。完成一路信号的转换所需要的时间应小于TS/n（n为输入量通道数）。§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0420A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：§2.2.1模数(A/D)和数模(D/A)03:0421一、信号采样采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)值的过程。p(t)x(t)x(nt)§2.2.2采样定理03:0422)(X)(tx)(tp)(txs)(Pt)(sXmmsTsTstssT1sTsTsts000000一个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个采样频率ωs,重复出现一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅立叶系数（Cn=1/Ts)所加权，其频谱形状不变。一、信号采样§2.2.2采样定理03:04231频混现象（a）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号（b）采样频率等于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号（c）采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频率的正弦信号§2.2.2采样定理03:0424当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。(a)采样频率合适的情况下复原信号；(b)采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的低频信号。1频混现象§§2.2.2采样定理03:0425频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。1频混现象§2.2.2采样定理03:04261频混现象信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为-ωm~ωm；当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图中(b)所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图中高频与低频部分发生重叠，如图中(c)所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。§2.2.2采样定理03:04272采样定理为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称仙农定理。fs＞2fmax§2.2.2采样定理03:0428注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3~5倍。2采样定理§2.2.2采样定理03:0429A/D采样前的抗混迭滤波：物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0~Fs/2)放大2采样定理§2.2.2采样定理03:0430为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。§2.2.2采样定理03:0431周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。设有余弦信号x(t)，用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号：y(t)=x(t)w(t)将截断信号谱XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱.原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。§2.2.3信号的截断、能量泄露03:0432周期延拓信号与真实信号是不同的：能量泄漏误差§2.2.3信号的截断、能量泄露03:0433克服方法之一：信号整周期截断§2.2.3信号的截断、能量泄露03:0434为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱。克服方法之二：窗函数§2.2.3信号的截断、能量泄露03:0435常用窗函数：(1)幂窗——采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间(t)的高次幂；(2)三角函数窗——应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；(3)指数窗——采用指数时间函数，如e-st形式，例如高斯窗等．克服方法之二：窗函数§2.2.3信号的截断、能量泄露03:04361.矩形窗TtTt/Ttw01TTw2sin矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为相应的窗谱为：矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗优点：主瓣比较集中缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。§2.2.3信号的截断、能量泄露03:04372.三角窗TtTtTtTtw0-11222sinT/T/w三角窗亦称费杰(Fejer)窗，是幂窗的一次方形式：相应的窗谱为：三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。§2.2.3信号的截断、能量泄露03:04383.汉宁(Hanning)窗TtTtTtTtw0cos212112sinsin21sinTTTTTTw汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：相应的窗谱为：与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于