第2章数据采集及处理

1YSU数据采集与处理2.1概述2.2采样过程2.3采样定理2.4频率混淆及其消除的措施第2章模拟信号的数字化处理2.7量化与量化误差2.6模拟信号的采样控制方式2.8编码2YSU数据采集与处理2.1概述第2章模拟信号的数字化处理在数据采集系统中存在两种信号：①模拟信号—②数字信号—信号种类在开发数据采集系统时，首先遇到的问题：如何把传感器测量到的模拟信号转换成数字信号？被采集物理量的电信号。计算机运算、处理的信息。3YSU数据采集与处理2.1概述连续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。4YSU数据采集与处理x(t)xS(nTS)xq(nTS)x(n)2.1概述采样/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…5YSU数据采集与处理2.2采样过程第2章模拟信号的数字化处理采样过程—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。6YSU数据采集与处理2.2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。7YSU数据采集与处理应该指出，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。2.2采样过程不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差。8YSU数据采集与处理2.3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，即当时|f|≥fc，X(f)=0②TS≤Cf21第2章模拟信号的数字化处理9YSU数据采集与处理2.3采样定理则连续信号)22()()(sin)()(nssssssnTtTnTtTnTxtx唯一确定。式中n=０，±１，±２，……，fc—信号的截止频率10YSU数据采集与处理采样定理指出：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)。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。2.3采样定理11YSU数据采集与处理||()Xff12T12T-0fCfC-SS图2.4与的关系fcTs⑵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。2.3采样定理12YSU数据采集与处理3.采样定理不适用的情况一般来说，采样定理在fTCS12时是不适用的。例如，设信号xtAftC()sin()202当fTCS12时，其采样值为xnTAnTTSSSS()sin()2.3采样定理13YSU数据采集与处理则有讨论：当φ=0，xs(nTs)=0，即采样值为零，无法恢复原来的模拟信号x(t)。2.3采样定理xS(nTS)=Asin(πn+φ)=A(sinπncosφ+cosπnsinφ)=Acosπnsinφ=A(-1)nsinφ14YSU数据采集与处理当0|sinφ|1时，xs(nTs)的幅值均小于原模拟信号，出现失真。当|sinφ|=1时，xs(nTs)=(-1)nA，它与原信号x(t)的幅值相同，但必须保证φ=π/2。综上所述，只有在采样起始点严格地控制在φ=π/2时，才能由采样信号xs(nTs)不失真地恢复出原模拟信号x(t)，然而这是难以做到的。结论：采样定理对于fTCS12不适用的。2.3采样定理15YSU数据采集与处理2.4频率混淆与消除频混的措施1.频率混淆什么是频率混淆？频率混淆—模拟信号中的高频成分（CTf21||）被叠加到低频成分（CTf21||）上的现象。第2章模拟信号的数字化处理16YSU数据采集与处理2.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆如图2.5所示。****************tttx()tx()tx()tf3900Hz=1100Hzf=2400Hzf==1／100s=0.01sf=500HzS500Hzf=S500HzfS图2.5高频与低频的混淆Ts0.002s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fS2100Hz，9002SfHz但fS2400Hz。17YSU数据采集与处理由图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。2.4频率混淆与消除频混的措施对于400Hz和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。18YSU数据采集与处理不产生频率混淆现象的临界条件：fS=2fC2.消除频混为了减小频率混淆，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↑。2.4频率混淆与消除频混的措施19YSU数据采集与处理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。这种方法既实用又简单。实际上，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。2.4频率混淆与消除频混的措施20YSU数据采集与处理在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用。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1～22.4频率混淆与消除频混的措施压力液位温度成分3～56～810～1515～2021YSU数据采集与处理1.常规采样第2章模拟信号的数字化处理fS=KfDmaxS=t/Ts=t/1/fs=fst=KfDmaxt数据存储量2.间歇采样fS=KfDmaxS=t/（1+a）Ts=t/(1+a)/KfDmaxt数据存储量22YSU数据采集与处理3.变频采样第2章模拟信号的数字化处理fSi=KfD（ti）23YSU数据采集与处理4.下采样第2章模拟信号的数字化处理24YSU数据采集与处理2.6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。第2章模拟信号的数字化处理25YSU数据采集与处理2.6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26YSU数据采集与处理查询方式：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。2.6模拟信号的采样控制方式27YSU数据采集与处理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。在DMA控制器控制下，数据直接在外部设备和存储器MEM之间进行传送，而不通过CPU和I／O，因而可大大提高数据的采集速率。2.6模拟信号的采样控制方式外设I／OCPU内存DMA控制器图2-10DMA传送方式28YSU数据采集与处理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等点采样查询采样中断控制采样DMA方式采样2.6模拟信号的采样控制方式29YSU数据采集与处理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。2.6模拟信号的采样控制方式30YSU数据采集与处理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。2.6模拟信号的采样控制方式31YSU数据采集与处理2.7量化与量化误差1.量化什么是″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。第2章模拟信号的数字化处理32YSU数据采集与处理2.7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)192(2nFSRq其中n—量化器的位数。33YSU数据采集与处理【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↓。2.7量化与量化误差34YSU数据采集与处理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。2.7量化与量化误差35YSU数据采集与处理只舍不入有舍有入量化方法1.″只舍不入″的量化如图2.12所示。2.7量化与量化误差36YSU数据采集与处理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。量化方法：信号幅值小于量化单位q倍数的部分，一律舍去。2.7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37YSU数据采集与处理量化信号xq(nTs)用表示：当0xnTqSS()时，0)(SqnTx当qxnTqSS()2时，qnTxSq)(当23qxnTqSS()时，qnTxSq2)(．．．．．．2.″有舍有入″的量化如图2.13示。2.7量化与量化误差38YSU数据采集与处理量化方法：信号幅值小于q2的部分，舍去，大于或等于q2的部分，计入。2.7量化与量化误差t0q2q3qxS(nTS)TS2TS3TS…...txq(nTS)0q2q3q...TS2TS3TS…(a)(b)图2.13“有舍有入”量化过程39YSU数据采集与处理量化信号用xq(nTs)表示：当qxnTqSS22()时，0)(SqnTx当qxnTqSS232()时，qnTxSq)(当3252qxnTqSS()时，qnTxSq2)(．．．．．．2.7量化与量化误差40YSU数据采集与处理【例2.2】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。2.7量化与量化误差41YSU数据采集与处理x(t)解：采用″有舍有入″的方法对采样信号进行量化。量化时按以下规律处理采样信号：2.7量化与量化误差tUi图2.14量化实例00.511.522.533.544.55t1τTSt20.73.5t34.6t44.7t53.6t62.7(a)tUq12345t1t2t3t4t5t6(b)42YSU数据采集与处理⑴电压值处于0.5～1.4V范围内的采样信号，都将电压值视为1V；⑵电压值处于1.5V～2.4V范围内的采样信号，则视为2V；⑶其它依次类推。结果：把原来幅值连续变化的采样信号，变成了幅值为有限序列的量化信号。2.7量化与量化误差43YSU数据采集与处理由以上讨论可知:量化信号的精度取决于所选的量化单位q。很显然：q↓，信号精度↑。量化始终存在着误差，这是因为量化是用近似值代替信号精确值的缘故。3.量化误差什么是″量化误差″？2.7量化与量化误差44YSU数据采集与处理量化误差—由量化引起的误差，记为e。即)20