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1、电洲与仪表?, , ? ! 在信 号处理系统 中 模拟信 号平滑处 理的设 计 南京航空学院纪宗南 摘要 利用信号处理系统可对生产现场进行监 浏 、 记 录和控制 , 并可获取大量 的动态信息 。 为提高刚贡曲线的光滑度 采用擂值法 , 这种平 滑处理方法符合系统的 实际情况 。 文中重点介 绍了摸 拟信号平 滑的原 理 和部分的参数设 计 。 均法 , 五点三次平 滑法 , 插值法等 。 根据木系 统的实际情况 , 我们在信号处理中采用 插 值 法 , 即用#% % ( 其 它 现考虑一方波序 列 、 #的 #。% 二 丁 七! 一万”# 八 厂 其 它 #% 由厂; %和= #,% ,一
2、, 欠 二 叠 。0二。 一 一夕只#/?%八 , ;沉 ?, 工 ? 欠 勺! 尸 一一 在上式分子 、 分母中同乘 。2“于是得 , ?州 /音 % 一 。一“代# / 告周 天 一, 一 成 、+.二 # / 合 。 2 + 二刁 即) , #% 一 式 , 再由单片机进行处理 , 单片机的处理通常 要涉及到算术的 , 逻辑的或数字操作 。 侮次采 样和处理以后 , 使用转换返回输出为新的 模拟信号 。 如果采样速率低于输入信号周期 , 则从两个采样点的输出信号为有限的分段 波 形 , 而不是我们要求的各点之间是 平滑的波 形 。 在信号处理中 , 转换所需要的时 间 及部分软件处理所需
3、的时间决定了在同一周期 内能采样输入点数目 。 为此我们不得在 采样 点之间使用插值法来处理信号 , 然后送至 转换器进行转换 。 使用插入点越多 , 输出精度 和平滑性能越好 , 即步数越多 , 平滑 效 果 越 好 , 越接近实际波形 。 为了得到预期的平滑效 果 , 必须从严选择插值法的参数 。 括入步数#%的选择 在本系统中模拟信号进行平滑处理 , 是采 用插值法 。 所以在系统整体设计时 , 插入步数 万和这些步数所需要的时间 ? 如何选择 , 其 原则如下 0 # / % 。0 其中 步数 八两插入点之间的时间 系统的采样周期 , 人 一 转换所需的时间 简单模拟量一次转换所需的时
4、间 由于本系统使用!单片机 , 所以 转换所需的时间为 ; 林 , 而模拟处理所需 的 时间为 ! 、 林, 对于系统的采样周期为 ; 件 来说 , 其中 。 为 卜 , 那么插入步数的最大值 二 二 4步 。 根据实际需要 , 可以通过键盘键 入不同的步数值 , 但最大值不能超过; 4 步 。 ; 1 采样周期的选择 从采样离散值的分布图 二可以看出 , 采样 周期 越小 , 即采样频率越高 , 采集的离散值通 沂原连续信号的程度越好 。 但采样周期的选择 是受到多方面影响的 。 下面简要地讨论一下怎 样选择合适的采样周期 。 根据香农# + 。 %采样定那 , 采 样周 期必须满足# 一、
5、 乒 一 。其中 。0 为输入信号 ”一 一 ”, 1 一 .二 “ 、 一 一 8“盆“”比 、1目 8 的上限频率% , 在这种情况下进行平滑处理 , 其输出端仍可复原或近似复原为输入 模拟 信 号 , 而不丢失任何信号 。 从输出端模拟信号平滑效果来看 , 则要求 采样周期短些 。 因为采样周期越小 , 采集的离 散值逼近原输入波形 的程度越好 , 即平滑效果 越好 , 原输入信号的 上限频率越高 。 从单片机的精度看 , 过短的采样周期是不 合适的弘因为适合工业控制用的单片机字长为 位或位 位 , 通常用三字节或双字节进行运 算 , 转换和平滑处理均需要一定 时间 , 因此采样周期必须
6、大于这一时间 。 否则上一输 出值还未实现 , 马上又转换为新的输出 。 从以上分析可以看出 , 各方面因素对采样 周期的要求是不相同的 , 甚至是互相矛盾的 。 我们必须根据具体情况和主 要的要求作出折衷 选择 。 根据采样定理 , 采样频率至少是被采样信 号频率的两倍 , 另外采样周期必须大于本程序 中转换和平滑处理所需要的时间 。 下面 结合本系统的实际情况予以说明 , 在本程序 中进行一次简单的平滑处理所需要的时 间为 ! 卜#这主耍是 由于! 指令快速执 行的结 果% , 而转换所需的时问为松拼 , 两者 之 和为 ! 卜0左 右 。 根据上述原则 , 我们选取本 系 统的采样周期为
7、 ; 、0 。 如果选取 ! ) 系 列单片机 , 因为转换所 需的时间缩短 , 即 为; ; 协, 那么采样周期可选择为 ! !协左 右 。 #限于篇幅 , 信号处理中漠拟量平滑的软件设 计及程序框图本文不做介绍 , 如有 读 者需可 与作者及本刊联系% 。 # 3) 。% , 即平滑处理的输入信号 。 转 换后是否通过平滑处理 主要决定单片机! 的 。1 , 状态 。 如果 。1 , 二 为平滑处理输出。 1 , 二 !为直接输出#没有经过平滑处理% 。 输出的的波形可用示波器来监视和观察 。 才 一下 6 、38“ 一一 长长 川川川 一一困 困 0 犷 “。 丁 示 变, 一 口 :?
8、 # 四 、 伯号处理中模拟信号平 滑的调试步骤 为了清楚地说明凋试 , 特把调试中的部分 硬件图画出来 , 如图 所示 。 该 图为信号处理 系统或智能仪辉 卜 的一部分 。 现对诬件图中的部分内容作简要说明 % 范围 /下转 。 ! ; 。 4 、 ! ! 。 3 _? 一# 4 ;% 中田高义 1 日本应用磁 气学会志 1 #;% 1 , 宫乃斌等 1 电测与仪表 1 年第; 期 8 1 1 2, , , +, 一; ! #4% , 1 。 ! 。 。 1 , 3 1 , , ? , 一 #% , , +, ,; ;#4%, , 1 1 8 1 ? 1 + 1 1 ; #2 % , ;
9、1 1 原田俊治 , 电气学会论文志 , ! 一 #? % , , 1 1 1 ,1 8 1 +, + 1 , ;# 、 % , 4 ; , 1 ! , 皿 日, ,8。1 ? 1 1 34 ; ; 膝瑞林 1 ( 1 ) , ! 1 ? 1 ) , 1 , : , #% , 4 1 , 皿, 欲? ,:砚1 4 , 电测与仪表 , 年第 期 #刘家新编发% #上接;页% 内 , 并连接到转换器的输入通道之一 3) ! 进行转换 。 ; 1 复位 , 然后分别键入! 二 ! ! , ( 二 。 1 把开关接到 。1, 端 , 并使 , 。1, 二?, 即是没经过平滑处理直接输出 。 1 程序从! ! ?)开始执行 。 4 1 这时可在示 波器 上观察到没有经过平 滑处理的输出波形 , 其波形图如图# %所示 。 。 使开关接到 / 端 , 使 。1 ) 、 即采样点之问的步数为 , ; 4 , . ,? 1 , 一_2! ? +, ,2+ 2+?2, ? + 1 1 ; 单片机开发与应用 1 习 1 一期 张为洲编著 1 微型计算机数据采集与处理 1 北京工 业学院出版社 , , 1 4 4 图4示波器输出端波 形 #王宁编发%
