数据采集与处理技术_2

数据采集与处理技术1教学内容第2章模拟信号的数字化处理数据采集与处理技术2数据采集系统的结构形式图1-1微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关传感器传感器传感器数据采集与处理技术3第2章模拟信号的数字化处理2.1概述2.2采样过程2.3采样定理2.6量化与量化误差2.7编码2.4频率混淆及其消除的措施2.5模拟信号的采样控制方式本章教学内容数据采集与处理技术4第2章模拟信号的数字化处理2.1概述数据采集与处理技术52.1概述本节教学目标理解模拟信号转换成数字信号的过程数据采集与处理技术62.1概述在数据采集系统中存在两种信号：①模拟信号—②数字信号—信号种类被采集物理量的电信号。计算机运算、处理的信息。数据采集与处理技术72.1概述在开发数据采集系统时，首先遇到的问题：如何把模拟信号转换成数字信号？数据采集与处理技术82.1概述模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：①时间断续②数值断续过程量化编码信号转换过程如图2-1所示。数据采集与处理技术92.1概述x(t)xS(nTS)xq(nTS)x(n)采样/保持量化编码计算机tx(t)txS(nTS)txq(nTS)x(n)n001011100010010011图2-1信号转换过程q2q3q4qTS2TS3TS…TS2TS3TS…数据采集与处理技术10第2章模拟信号的数字化处理2.2采样过程数据采集与处理技术112.2采样过程本节教学目标理解模拟信号的离散过程数据采集与处理技术122.2采样过程采样过程—一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为TS，开关闭合时间为τ）的采样开关K之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs)。采样过程如图2-2所示。数据采集与处理技术132.2采样过程图2-2中：xs(nTs)—0,TS,2TS—τ—TS—图2-2采样过程tx(t)x(t)KδTs(t)xS(nTS)txS(nTS)τTSTS2TS3TS…采样信号;采样时刻采样时间；采样周期。数据采集与处理技术142.2采样过程应该指出，在实际应用中，τTS。采样周期TS决定了采样信号的质量和数量：TS↓，xs(nTs)↑，内存量↑；TS↑，xs(nTs)↓，丢失的某些信息。因此，采样周期必须依据某个定理来选择。不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差。数据采集与处理技术15第2章模拟信号的数字化处理2.3采样定理数据采集与处理技术162.3采样定理本节教学目标理解采样定理的内涵理解采样定理的局限性能够运用采样定理进行计算数据采集与处理技术172.3采样定理1.采样定理设有连续信号x(t)，其频谱X(f)，以采样周期TS采得的信号为xs(nTs)。如果频谱和采样周期满足下列条件：①频谱X(f)为有限频谱，②TS≤即当|f|≥，X(f)=01___2fCfC数据采集与处理技术182.3采样定理则连续信号唯一确定。式中fc—信号的截止频率x(t)=∑+∞n=-∞xS(nTS)______________sin__πTS(t-nTS)__πTS(t-nTS)(2-2)n=0，±1，±2，……，数据采集与处理技术192.3采样定理采样定理指出：对一个频率在0～fc内的连续信号进行采样，当采样频率为fs≥2fc时，由采样信号xs(nTs)能无失真地恢复为原来信号x(t)。数据采集与处理技术202.3采样定理2.采样定理中两个条件的物理意义⑴条件1的物理意义模拟信号x(t)的频率范围是有限的，只包含低于fc的频率部分。||()Xff12T12T-0fCfC-SS图2-4fC与TS的关系数据采集与处理技术212.3采样定理⑵条件2的物理意义采样周期Ts不能大于信号截止周期Tc的一半。3.采样定理不适用的情况一般来说，采样定理在时是不适用的。fC=__12TS数据采集与处理技术222.3采样定理例如，设信号02当时，其采样值为x(t)=Asin(2πfCt+)fC=__12TSxS(n)TS=Asin(______πnTSTS+)数据采集与处理技术232.3采样定理则有讨论：当xS(n)TS=Asin(πn+)=Asin(πn+)coscosπnsin=Acosπnsin=A(-1)nsin=0，法恢复原来的模拟信号x(t)。xS(nTS)=0，即采样值为零，无数据采集与处理技术242.3采样定理当当综上所述，只有在采样起始点严格地控制xS(nTS)的幅值均小于原sin||01时，模拟信号，出现失真。sin||xS(nTS)=1时，信号x(t)的幅值相同，但必须保证=—2。恢复出原模拟信号x(t)，然而这是难以做到的。，它与原=(-1)An在=—2时，才能由采样信号xS(nTS)不失真地数据采集与处理技术252.3采样定理结论：采样定理对于是不适用的。fC=__12TS数据采集与处理技术26第2章模拟信号的数字化处理2.4频率混淆与消除频混的措施数据采集与处理技术272.4频率混淆与消除频混的措施本节教学目标理解产生频率混淆的原因理解消除频率混淆的措施数据采集与处理技术281.频率混淆频率混淆—模拟信号中的高频成分）被叠加到低频成分（）上的现象。2.4频率混淆与消除频混的措施什么是〞频率混淆〞？f||__2TC（1f||__2TC1数据采集与处理技术29频率混淆如图2-5所示。例如：某模拟信号中含有频率为900Hz，400Hz及100Hz的成分。若以fS=500Hz进行采样，此时：Hz，但是：2.4频率混淆与消除频混的措施****************tttx()tx()tx()tf3900Hz=1100Hzf=2400Hzf==1／100s=0.01sf=500HzS500Hzf=S500HzfSTs0.002s图2-5高频与低频的混淆fS2×100fS2×900Hz，fS2×400Hz，数据采集与处理技术302.4频率混淆与消除频混的措施由图2.5可见，三种频率的曲线没有区别：对于100Hz的信号，采样后的信号波形能真实反映原信号。对于400Hz、900Hz的信号，则采样后完全失真了，也变成了100Hz的信号。于是原来三种不同频率信号的采样值相互混淆了。数据采集与处理技术312.4频率混淆与消除频混的措施不产生频率混淆现象的临界条件：fS2.消除频率混淆为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：对于频域衰减较快的信号，减小TS。但是，TS↓，内存占用量和计算量↑。=2fC数据采集与处理技术322.4频率混淆与消除频混的措施对频域衰减较慢的信号，可在采样前，先用一截止频率为fC的滤波器对信号x(t)低通滤波，滤除高频成分，然后再进行采样。由于信号频率都不是严格有限的，而且，实际使用的滤波器也都不具有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止频率的频率分量衰减掉。实际上，先用滤波器对模拟信号滤波，然后用较高的采样频率对模拟信号进行采集。数据采集与处理技术33表2.1典型物理量的经验采样周期值被测物理量采样周期(s)流量1～2压力液位温度成分3～56～810～1515～202.4频率混淆与消除频混的措施数据采集与处理技术34第2章模拟信号的数字化处理2.5模拟信号的采样控制方式数据采集与处理技术352.5模拟信号的采样控制方式本节教学目标理解采样控制方式的类型了解采样控制方式的应用数据采集与处理技术362.5模拟信号的采样控制方式1.模拟信号的采样控制方式⑴无条件采样特点：运行采样程序，立即采集数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。优点：为无约束采样。数据采集与处理技术372.5模拟信号的采样控制方式缺点：不管信号是否准备好都采样，可能容易出错。①定时采样：②变步长采样：方法采样周期不变采样周期变化⑵条件采样方法①查询方式②中断方式数据采集与处理技术382.5模拟信号的采样控制方式查询方式：CPU不断检查A／D转换状态，以确定程序执行流程。优点：硬件少，编程简单。缺点：占用较多CPU机时。中断方式：响应中断，暂停主程序，执行中断服务程序。优点：少占用CPU机时。缺点：要求硬件多，编程复杂。数据采集与处理技术392.5模拟信号的采样控制方式⑶直接存储器存取（DMA）方式特点：由硬件完成数据的传送操作。外设I／OCPU内存DMA控制器图2-10DMA传送方式数据采集与处理技术402.5模拟信号的采样控制方式采样控制方式的分类归纳如下：无条件采样条件采样采样定时采样变步长采样查询方式采样中断方式采样DMA方式采样数据采集与处理技术412.5模拟信号的采样控制方式2.采样控制方式的应用无条件采样：仅适于A／D转换快，且要求CPU与A／D转换器同时工作。中断方式：用于系统要同时采集数据和控制的场合。数据采集与处理技术422.5模拟信号的采样控制方式DMA方式：用于高速数据采集。查询方式：用于系统只采集几个模拟信号的场合。数据采集与处理技术43第2单元模拟信号的数字化处理2.6量化与量化误差数据采集与处理技术442.6量化与量化误差本节教学目标理解量化的定义了解量化的方法了解量化方法与量化误差的关系数据采集与处理技术452.6量化与量化误差1.量化量化—采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列倍数比较，用最接近采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。什么是〞量化〞？数据采集与处理技术462.6量化与量化误差最小数量单位—量化单位，用q表示。量化单位定义：量化器满量程电压FSR(FullScaleRange)与2n的比值。即其中n—量化器的位数。q=____FSR2(2-19)n数据采集与处理技术472.6量化与量化误差【例2.1】当FSR=10V，n=8时，q=39.1mV；当FSR=10V，n=12时，q=2.44mV；当FSR=10V，n=16时，q=0.15mV。由此可见：量化器的位数n↑，量化单位q↓。数据采集与处理技术482.6量化与量化误差2.量化方法日常生活中，在计算某个货物的价值时，对不到一分钱的剩余部分，一概忽略四舍五入处理方法类似地，A／D转换器也有两种量化方法。数据采集与处理技术492.6量化与量化误差只舍不入有舍有入量化方法″只舍不入″的量化将信号幅值轴分成若干层，各层之间的间隔均等于量化单位q。数据采集与处理技术502.6量化与量化误差t0q2q3qxS(nTS)TS2TS3TS…...txq(nTS)0q2q3q...TS2TS3TS…(a)(b)图2-12“只舍不入”量化过程量化方法：信号幅值小于量化单位q倍数的部分，一律舍去。量化信号xq(nTs)用表示：当0≤xS(nTS)＜q时，xq(nTS)=0当q≤xS(nTS)＜2q时，xq(nTS)=q当2q≤xS(nTS)＜3q时，xq(nTS)=2q数据采集与处理技术512.6量化与量化误差″有舍有入″的量化量化方法：信号幅值小于的部分，舍去，大于或等于的部分，计入。__q2__q2数据采集与处理技术52t0q2q3qxS(nTS)TS2TS3TS…...txq(nTS)0q2q3q...TS2TS3TS…(a)(b)图2-13“有舍有入”量化过程量化信号用xq(nTs)表示：当qxnTqSS22()时，0)(qSnTx当qxnTqSS232()时，qnTxS)(q当25)(23qnTxqSS时，qnTxS2)(q2.6量化与量化误差数据采集与处理技术532.6量化与量化误差设来自传感器的模拟信号的电压是在0～5V范围内变化，如图2.14(a)中虚线所示。现用1V、2V、3V、4V、5V（即量化单位1V）五个电平近似取代0～5V范围内变化的采样信号。x(t)tUi00.511.522.533.544.55t1τTSt20.73.5t34.6t44.7t53.6t62.7(a)图2-14量化的实例【例2.2】数据采集与处理技术542.6量化与量化误差解：采