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第一章：数据采集的基本概念，任务，组成）1、数据采集的定义：指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。相应系统称为数据采集系统。2、数据采集的任务：①采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机②计算机对数字信号进行处理意义：①在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量、安全，生产、降低成本提供信息；②在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。解决人不能解决的问题，提高工作效率，取得较好的经济效益。3、数据采集系统性能优劣的评价标准：系统的采样精度和采样速度。4、数据采集系统的功能：①采集数据②模拟信号处理③数字信号处理(抗干扰力强)④开关信号的处理⑤二次数据计算⑥屏幕显示⑦数据存储⑧打印输出⑨人机联系。5、数据采集系统基本结构形式：(1)微机型：结构简单，易实现；对环境要求不高；系统成本低；集散型的基本单元；模板齐全，易组成系统。(2)集散型：适应能力强;可靠性高;实时性好;对硬件要求不高。6、数据处理的类型：①按处理方式，实时（在线）处理和事后（脱机）处理②按处理性质，预处理和二次处理；7、数据处理的任务：①对采集信号作标度变换（将没有物理意义的电压信号，转换为原来对应的物理量）②消除数据中的干扰③分析计算数据中的内在特征。第二章：（采样，量化，编码）1、模拟量转换成数字量过程：模拟信号→采样/保持→量化→编码→数字信号2、采样过程：脉冲调制，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)3、采样定理一：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)。物理意义：①连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的。即0≤ffc②采样周期Ts不能大于极小周期Tc的一半必要性：①信号之间相互干扰②信号频谱混叠，不能无失真的恢复信号不适用情况：①fc≤1/2Ts时，须严格控制采样起点②当fc=1/(2Ts)时不适用，易产生混频。4、混频：模拟信号中的高频成分(f1/2Tc)被叠加到低频成分(f1/2Tc)上的现象。产生频率混淆现象的临界条件：fS=2fC。消除混频的措施：提高采样频率；抗混滤波（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）5、采样技术包括：（书P34-38）常规采样；间歇采样；变频采样；下采样（书P37例题）；6、采样控制方式：①无条件采样(定时采样，等点采样)：仅适用于A/D转换快，CPU与A/D转换器同时工作②中断控制采样：系统要求同时采集数据和控制③查询方式：系统只采集几个模拟信号④DMA方式：高速数据采集7、量化：把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量整数倍来代替该幅值。这过程称为“量化过程”，简称“量化”。8、量化单位：q=FSR/2𝑛（n为量化器的位数）量化方法：只舍不入和有舍有入9、量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法完全消除。增加A/D转换器的位数n能减小量化误差第三章（模拟多路开关）1、多路开关的作用：将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。2、电子式多路开关分为：①双极性晶体管开关，优点：开关速度快；缺点：漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。电流控制器件，功耗大，集成度低，只能向一个方向传送信号。②结型场效应晶体管开关：优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。③绝缘栅场效应管开关：哦优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：衬底要有保护电压。④集成电路开关3、多路开关的电路特性：（1）漏电流：通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。（2）动态响应（3）源负载效应误差：信号源电阻RS和开关导通电阻RON与多路开关所接器件的等效电阻RL分压而引起的误差。（4）串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰第四章（测量放大器及相关计算）1、测量放大器特点：具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于放大微弱信号。2、测量放大器主要技术指标：①非线性度：放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。②温漂：测量放大器输出电压随温度变化的程度。应尽量选择温漂小的测量放大器。③建立时间：指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。④恢复时间：放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需时间。④电源引起的失调：电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值⑤共模抑制比3、隔离放大器：隔离器，其输入电路、输出电路和电源之间没有直接的电路耦合，信号的传递与电源电能的传递通过磁路实现。结构：高性能的输入运算放大器，调制器和解调器，信号耦合变压器，输出运算放大器，电源。4、干扰信号隔离措施：采用隔离放大器，ADC前必须采用低通滤波器第五章采样保持器1、采样/保持器解决的问题及方法：模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。用采样保持器，在A/D转换时保持住输入信号电平，在A/D转换结束后跟踪输入信号的变化。2、两种作用：①“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。②用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。3、两个工作状态：(1)跟踪（采样）状态：尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。(2)保持状态：对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持4、采样/保持器类型：①串联型，结构简单，跟踪速度低②反馈性，结构复杂，跟踪速度快5、主要性能参数：(1)孔径时间𝑡𝐴𝑃:保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。(2)孔径不定△tAP:孔径时间的变化范围(3)捕捉时间𝑡𝐴𝐶:指当采样／保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样／保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。(4)保持电压的下降(5)馈送：指输入电压Ui的交流分量通过开关K的寄生电容CS加到CH上，使得Ui的变化引起输出电压UO的微小变化。(6)跟踪到保持的偏差：跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压(7)电荷转移偏差：指在保持状态时，电荷通过开关K的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差第六章A/D转换器1、A/D转换器分类：(1)按速度分：高，中，低(2)按精度分：高，中，低(3)按位数分：8,10,12,14,16(4)按工作原理分：①直接比较型:模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。优点：瞬时比较，转换速度快。缺点：抗干扰能力差②间接比较:模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，再进行比较。优点:平均值比较，抗干扰能力强。缺点：转换速度慢。2、主要技术指标：(1)分辨率：A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少(2)量程：A／D转换器能转换模拟信号的电压范围(3)精度:绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。相对精度：绝对精度与满量程电压值之比的百分数。精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度(4)转换时间𝑡𝐶𝑂𝑁𝑉，转换速率：每秒钟转换的次数。(5)偏移误差(6)增益误差(7)线性误差3、误差类型：测量误差，量化误差，转换速率=𝟏转换时间第七章D/A转换器1、数/模转换器分类：①并行D/A转换器：转换器的位数与输入数码的位数相同，对应数码的每一位都有输入端②串行D/A转换器：只有一个输入端，数码一位一位依次串行输入2、D/A转换器基本组成：电阻网络，基准电源，模拟切换开关，运算放大器，3、D/A转换器的主要技术指标：分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率=12𝑛−1,分辨率与位数有关。位数越多,分辨率就越高。(2)精度：绝对精度：输入满量程数字量时，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差。一般应小于±LSB/2相对精度：绝对精度与额定满量程输出值的比值。（3）线性误差：D/A转换器的转换特性曲线与理想特性之间的最大偏差（4）建立时间：D/A转换器的输入数码满量程变化时，其输出模拟量稳定到最终值±LSB/2范围所需的时间。（5）单调性：D/A当输入数码增加时，D/A转换器的输出模拟量也增加或至少保持不变。（6）温度系数：D/A在满量程输出条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数（7）电源抑制比：满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。（8）输出电平（9）输入代码（10）输入数字电平：输入数码分别为“1”和“0”时，所对应的输入高低电平的数码数值。（11）工作温度3、DAC0832：(1)单缓冲工作方式：一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态(2)双缓冲工作方式：两个寄存器均工作于受控锁存器状态，(3)直通工作方式特点：8分辨率的D/A转换集成芯片；具有两个输入数据寄存器，与微处理器完全兼容；芯片内有T型电阻网络；价格低廉、接口简单、转换控制容易；电流稳定时间1us，属于中速；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW（详见P140-P142）4、DAC1210：12位分辨率的D/A转换集成芯片；具有三个独立寻址的寄存器组成两级缓冲器；芯片内有T型电阻网络；电流稳定时间1us，属于中速；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW（详见P142、P143）4、书上程序P150、151第八章1、数据板卡的概念：在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样／保持器、A／D转换器等芯片而构成的器件。分为ISA，PCI两种。优点：将数据采集板插入计算机主板上的扩展槽，就能迅速组成一个数据采集系统。2、使用板卡编写简单的采集程序3、如何选择通道（见书上例题及P164表格）4、模入码制以及数据与模拟量的对应关系：（1）单极性工作方式：输入信号的电压为0V～10V时，转换后的12位数码为二进制码。此12位数码表示一个正数码，其数码与模拟电压值的对应关系为：模拟电压值=数码(12位)×10/4096(V)即1LSB=2.44mV。（2）双极性工作方式：转换后的12位数码为二进制偏移码。此时12位数码最高位（DB11）为符号位：0表示负，1表示正。输入信号为-5V～+5V时：模拟电压值=数码×10/4096-5(V)，即1LSB=2.44mV。输入信号为-10V～+10V时：模拟电压值=数码×20/4096-10(V)，即1LSB=4.88mV5、书上程序（P166---—）第十章1、标度变换方法：（1）线性参数：Y=𝑌0+𝑌𝑚−𝑌0𝑁𝑚−𝑁0(𝑋−𝑁0),其中，Y0—被测量量程的下限；Ym—被测量量程的上限；N0—传感器输出电压的下限；Nm—传感器输出电压的上限；X—待变换的数值；Y—变换后的数据（2）非线性参数：公式变换法：条件：传感器的输出信号与被测信号之间的关系可以用公式表示。多项式变换法：条件：传感器输出信号与被测物理量之间的关系无法用公式表示。但是，它们之间的关系是已知的。代值插入法，表格法。2、数字滤波：用计算机程序对采样数据进计算处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例。优点：①用程序实现，不需硬件②可靠性高，稳定性好③可低频信号（f=0.01Hz）滤波④容易更换滤波方法3、中值滤波法：将n个采样数据进行排队，再取中间值作为本次采样值。适宜：去除脉动性质的干扰不适宜：快速变化的过程参数如流量4、算术平均法：寻找一个Y作为本次采样的平均值，使该值与本次各采样值间误差的平方和最小。适用于对压力、流量一类信号的平滑处理。5、防脉冲干扰复合滤波法：先用中值滤波处理因脉冲干扰而有偏差的采样值，再把滤波后的采样值做算术平均。优点：既可以去掉脉冲干扰，又可对采样值进行平滑处理缺点