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1、数据采集与信号调理一点通 信号与系统初步 一个典型的系统： 模拟输入 采样/量化 1101 数字输入 数字信号 处理 1101 数字输出 模拟重建 模拟输出 信号与系统初步 信号的分类： 信息 状态 速率 幅值 形状 频率 on off t 1- 0- t 0.985 t t f 信号 模拟量 数字量 开/关信号 脉冲队列 直流信号 时域信号 频域信号 信号与系统初步 (续) 模 拟 信 号 电压信号 温度 压力 流量 应力 DC精度 频域信号 振动 语音 声呐 分辨率 采样频率 精度 触发 对采集卡的要求 时域信号 雷达回波 血压变化 汽车点火波形 分辨率 采样频率 精度 触发 0.985
2、ttf 信号与系统初步 (续) 数 字 信 号 on off t 1- 0- t 开关信号 输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门 驱动能力 通道数 脉冲队列 输入： 读光编码器的输出信号 输出： 产生一个方波 时钟频率 对采集卡的要求 数据采集系统概述 信号调理 传感器 / 信号 数据采集 硬件 I/O 数据采集 软件 总线 典型的数据采集系统硬件架构 数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统 部分常用的数据采集设备类型 实验室、工业环境使用 基于PCI/P接口 往往需要外接端子和线缆 便携式/远距离 USB，Ethernet接口 教学实验与学生练习 如ELVIS 、m
3、yDAQ 除了数据采集硬件电路之外还 集成了其他一些功能，如数字 万用表、可编程电源等 举例: 基于P台的数据采集 P控制器及机箱 (可大致理解为PC) 接线端（前面凸出部分） 信号调理与数据采集（接线端后面） 举例: 用于教学实验的NI ELVIS 一种集成了12种仪器的教学实验设备 安装NI-ELVIS驱动后可通过ELVIS软面板实现这些功能 同时也可看做是一种基于USB总线的多功能数据采集设备 用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术 USB总线 （注意: 不是前面所说的传输电缆） 接线端+传输线缆+ 数据采集设备 PC 数据采集系统基本组成 l 数据采集系统包括硬件和软件两大部
4、分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分。 图1.1 数据采集系统硬件基本组成 3.5.1 数据采集系统结构形式的确定 常见的数据采集形式有以下几种： 1.单通道数据采集系统 2.多通道并行数据采集系统 3.多通道同步型数据采样系统 4.多通道共享采样/保持器与A/D转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式 l 每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器， 这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速 数据采集。 多通道A/D转换 l 各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D 转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行 A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集 速度稍慢。 单
5、通道共享A/D转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式 l 各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时， 通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的 采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同 步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本 ，适于对采集速度要求不高的应用场合。 多通道共享采样保持器与A/D转换器 3.5.2 系统参数设计和器件选择 数据采集系统的主要技术指标： l被采集信号的特点 l系统响应时间 l系统分辨率 l系统的精度 数据采集系统的主要技术指标 1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最 小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统满 刻度信号的百分比表示
6、，或用系统可分辨的实际电 压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分的 级数来表示。 位数级级数1 LSB（满满度值值的百分数 ） 1 LSB（10V满满度 ） 82560.391%39.1mV 1240960.0244%2.44 mV 16655360.0015%0.15 mV 2010485760.000095%9.53 uV 24167772160.0000060%0.60 uV 表1.1 系统的分辨率（满度值为10 V） 数据采集系统的主要技术指标 2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散 子样的转换精度。 模数转换器的精度是系统精度的极限值。 系统精度是系统的实际输出值与理
7、论输出值之差，它 是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数 。 3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精 度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内 所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。 “采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传 输、存储等过程。 采集速率的倒数是采样周期。 数据采集系统的主要技术指标 4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围 是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集 系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值 Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围： 瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精
8、度采集时， 某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值 之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax与 幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬时 动态范围： 数据采集系统的主要技术指标 5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整 数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波 失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通 常用下式表示： A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。 多路模拟开关的选择要点 选择多路模拟开关时，应充分考虑 信号的特点及系统特性，尽量选择导通 电阻小、漏电电流小、切换速度快的芯 片，同时应注
9、意要适当地限制通道数量 ，有必要时可以采用MUX的多路扩展方 式。 A/D转换器的选择要点 采用A/D转换器的模拟信号采集是一个要求比较 高的工作，需要考虑多方面的问题。这里介绍需要重 点注意的几个问题。 采样速度。采样速度决定了数据采集系统的实时 性。采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周 期的采样数来决定。采集速度越高，对模拟信号复原 的越好，也即实时性越好。根据奈奎斯特采样定理可 知，数据采集系统对源信号无损再现的必要条件是， 采样频率至少为被采样信号最高频率的两倍。 A/D转换精度。对于复杂系统，一般计算系统中各环节的 方和根误差。信号源阻抗、信号带宽、A/D转换器分辨率 和系统的
10、通过率都会影响误差的计算。正常情况下，A/D 转换前向通道的总误差应小于等于A/D转换器的量化误差 ，否则选取高分辨率A/D转换器也没有实际意义。 孔径误差。A/D转换是一个动态的过程，需要一定的转换 时间。而输入的模拟量总是在连续不断变化的，这样便 造成转换输出的不确定性误差，即孔径误差。为了确保 较小的孔径误差，则要求A/D转换器具有与之相适应的转 换速度。否则，就应该在A/D转换器前加入采样/保持电 路以满足系统要求。 系统通过率。系统的通过率由模拟多路选择器、输入 放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及 A/D转换器的转换时间确定。在模拟信号的数据采集系 统中，有正常顺序和重叠
11、两种采集方式，采用低分辨 率A/D转换器、减少模/数转换环节及采用重叠方式采 集时，可获得较大带宽的通过速度。 （1）如何确定A/D转换器的位数 A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态 精度和动态滑性这两个方面进行考虑。 目前，大多数测量装置的精度值不小于01%0.5%，故 A/D转换器的精度取0.05%0。1%即可，相应的二进制码 为1011位，加上符号位，即为1112位。当有特殊的应 用时，A/D转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精 度的转换方案。 （2）如何确定A/D转换器的转换速率 A/D转换器从启动转换 到转换结 束，输出稳定的 数字量，需要一定的转换时间 。转换时间
12、的倒数就 是每秒钟能完成的转换次数，称为转换 速率。 确定A/D转换器的转换速率时，应考虑系统的采 样速率。 例如，如果用转换时间为 100us的A/D转换器， 则其转换速率为10KHz。根据采样定理和实际需要 ，一个周期的波形需采10个样点，那么这样的A/D 转换器最高也只有处理频率为1KHz的模拟信号。 把转换时间 减小，信号频率可提高。 书中主要讲述了如何确定A/D转换器的位数以及如何确定A/D转 换器的转换速率，详细公式和实例说明见书P7778页。 3.5.3 高速数据采集系统 1 高速数据采集系统分类 2 高速数据采集系统基本功能 3 高速数据采集系统的结构形式 4 高速数据采集系统
13、基本原理 5 高速数据采集系统的发展趋势 6 高速数据采集的应用 高速数据采集系统统分类类 高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法 有以下几种： l根据适应环境不同：隔离型和非隔离型，集中式和分布式 ； l根据控制功能：智能化和非智能化采集系统； l根据模拟信号的性质：电压和电流信号，高电和低电 信号，单端输入和差分输入； l根据信号通道的结构方式：单通道及多通道输入方式。 高速数据采集系统统基本功能 一般来说，高数采集系统的任务是采集各种类 型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入 计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得 到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。 高
14、速数据采集系统统的结结构形式 从高速数据采集系统的硬件组成来分，有两种：集成 微型计算机的数据采集系统，集散型数据采集系统。 集散型数据采集系统由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的数据 采集卡组成的数据采集系统，可以独立采集模拟和数字信 号，数据通过光纤或网络传输到PC的硬盘进行保存及处理 。 集成微型计算机的数据采集系统则是将PC及数据采集 卡集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部的硬盘 ，无需通过线缆传输。 高速数据采集系统统基本原理 下图是基于DSP的数据采集系统，一般包括：AD模数转换芯片、 SDRAM动态数据存储元件、Flash静态数据存储元件、HPI主机接口、USB 接口、
15、PCI接口等。典型的数字信号处理过程如图所示。 输人信号可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的 数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信 号。如果输人信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放 大器单元将输入信号幅度放大或者缩小后，送到AD进行模数 转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬 件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到AD进行模数转 换。AD能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足奈奎斯特 采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信息，采样频 率必须高于输入信号最高频率的2倍，一般为5倍以上。AD变 换后得到的数字信号输人到DSP芯片；再由DSP芯片对该数字
16、信号进行各种数字信号算法的处理。 高速数据采集系统统的发发展趋势趋势 (1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了 数据采集系统的性能。 (2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步 推动了数据采集系统的广泛应用。 (3)智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集系统 的发展产生深远的影响。 (4)与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据 采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的 进一步发展。 (5)分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 高速数据采集的应应用 高速数据采集系统具有极高的采样率，尤其适合用于瞬间 测量量产生变化的场合。例如：在电力传输或者爆炸，冲击波 ，火箭发射过程中。 电力测试的应用包括： 高压脉冲测试 大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能. 其暴露在 野外，经常遭受雷击，进而可能损坏变电站的设备. 元器件 的损坏将导致部分电力分配能力的损失，并耗费高昂的修
