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1、第二章 信号调理与采集,重点掌握内容： 信号的分类与主要参数； 信号调理的基本概念及其实现方法介绍； 采样定理； 被测信号和测试设备的连接方式； 测量放大器的设计方法与共模抑制能力分析； D/A转换器的作用； 采集的基本概念。,1,signal conditioning and Acquisition,2.1 数据采集系统的概念及其结构,数据采集的概念; 数据采集系统的结构形式及其特点； 信号的分类及其特征。,2,2.1 数据采集系统的概念及其结构,数据采集的概念：是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成为数字量后，由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。,
2、3,2.1 数据采集系统的概念及其结构,4,多路分时采集分时输入结构,集中采集式,2.1数据采集系统的概念及其结构,5,多路同步采集分时输入结构,集中采集式,2.1 数据采集系统的概念及其结构,6,分布式单机数据采集系统的结构,分散采集式,2.1 数据采集系统的概念及其结构,7,网络式数据采集结构,分散采集式,8,2.1 输入信号的类型及其检测,9,2.1 输入信号的类型及其检测,10,2.2输入信号的类型及其检测,2.3 模拟信号的数字化处理 (Digital Analyzing of Analog Signal),本节学习重点：采样过程及其采样定理，重点区分采样信号和数字信号的区别； 混叠
3、现象产生的原因以及混叠频率的计算方法。,11,12,信号的频率？,代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同： 语音：4kHz 音乐：=fn(fn为信号的最高频率）时，x(f)=0; Ts=1/2fn。 工程中 fs取5-10fn,20,2.3 模拟信号的数字化处理,采样定理为何要定义为有限频谱呢？,21,2.3 模拟信号的数字化处理,（2）采样定理的应用,混叠现象：当采样频率过低时，由所采样的数据还原的信号频率与原始信号频率不同，这种信号畸变现象叫做混叠。混叠频率=abs（采样频率的最近整数倍-输入频率）,22,2.3 模拟信号的数字化处理,23,
4、例1：某信号的频谱图,2.3 模拟信号的数字化处理,24,2.3 模拟信号的数字化处理,25,混叠问题的解决方法,在A/D前加入低通滤波器，将大于1/2采样频率的信号成分滤去，称为抗混叠滤波器。,2.3 模拟信号的数字化处理,26,量化信号,量化过程,把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量,2.3 模拟信号的数字化处理,（1）量化单位概念,量化单位：最小数量单位q=FSR/2nq: 量化单位； FSR：满量程电压n：A/D转换器的位数,27,2.3 模拟信号的数字化处理,（2）量化误差,28,量化信噪比：S/N=12X22n n-A/D转换器的位数 结论：增加A/D转换器的位
5、数能减小量化误差。,2.3 模拟信号的数字化处理,29,量化信号变成数字信号,编码:把量化信号的电平用数字代码表示。,2.3 模拟信号的数字化处理,(1）单极性编码-二进制编码,30,2.3 模拟信号的数字化处理,(2）单极性编码-BCD编码,31,BCD编码中，用一组4位二进制码来表示一位 09的十进制数。 例如一个电压按照BCD码表示如下：,2.3 模拟信号的数字化处理,(3）双极性编码,32,2.3 模拟信号的数字化处理,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.1 信号获取方法和途径 1.信号获取(1) 通过敏感元件拾取被测信号 （2）通过传感器拾取被测信号 （3）通过接口直接拾取被测信
6、号 （4）通过测量仪表拾取被测信号,33,2.输入通道特点,（1）输入通道要靠近信号拾取对象 （2）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路 （3）输入通道电路设计与多种因素相关 （4）输入通道的环境无主观选择余地 （5）输入通道靠近现场，易受干扰,34,2.4 信号获取与信号调理技术,传感器或变送器输出的信号需要调理后才能被DAQ板有效、准确地采集、转换,这种前端预处理就是所谓signal conditioning,包括放大，隔离,激励和多路复用等。 数据采集系统用于非电量测量一般都需要通过硬件进行信号调理, 特别是PC-DAQ系统通常要外接专门的SCXI(Signal Conditionin
7、g eXtentions for Instrumentation)。,35,22.4.1 基本概念 .4 信号获取与信号调理技术,2.4 信号获取与信号调理技术,1.哪些信号需要调理？ （1）电阻信号 （2）mV级电压信号 （3）uA级电流信号 （4）频率信号,36,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型,放大：噪声可能会严重破坏 PC-DAQ系统的测量精度，通过(在板或外部的)放大调理可以提高分辨率，有效降低噪声的影响。许多传感器的输出信号在 mV、甚至V量级， 直接在DAQ板放大这种模拟小信号，必然对来自引线与计算机内部的噪声也一起放大。当信号小到V 量级时，这些噪声
8、可能会完全淹没信号。减少系统噪声简单而有效的方法通常是采用外部的放大调理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高S/N。,37,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型,放大：噪声可能会严重破坏 PC-DAQ系统的测量精度，通过(在板或外部的)放大调理可以提高分辨率，有效降低噪声的影响。许多传感器的输出信号在 mV、甚至V量级， 直接在DAQ板放大这种模拟小信号，必然对来自引线与计算机内部的噪声也一起放大。当信号小到V 量级时，这些噪声可能会完全淹没信号。减少系统噪声简单而有效的方法通常是采用外部的放大调理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高S/N。,38,2.4 信号获取与信号调
9、理技术,39,抑制噪声可以采用的方法,(1)减少传输线的长度； (2)使信号线远离交流电源线和显示设备，避免50HZ的工频噪声； (3)使用护套电缆或双绞线电缆，并尽量缩短电线长度能够减少噪声，此外，让信号线远离交流电源线和显示器将有助于减少50Hz的噪声。,2.4 信号获取与信号调理技术,滤波与平滑 滤波是消除噪声的有效方法，不过应注意合理设置滤波器的带宽，以免影响信号的时间响应。 软件平滑(Software Averaging)是一种简单有效的 数字滤波技术，对稳态信号还可以进行所谓动态平滑(Dynamical Averaging)。,40,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用
10、信号调理类型,隔离 引起测量问题、甚至损坏DAQ板最常见的原因是接地不当，把传感器和测量设备进行电气或物理隔离是防止这类问题最有效的方法。隔离通过破坏地线环流、抑制高共模电压还能实现对昂贵的DAQ板的保护。 常见的隔离方法有光隔离、电容隔离、磁隔离。电容、磁隔离本质上都是一种调制过程，它把信号电压转换成频率，然后在采集前再还原成电压。,41,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型,隔离作用小结 抑制地电流引起的共模电压(common-mode voltage) 保护昂贵的DAQ板不被损坏 High common-mode voltage(250Vrms) differen
11、tial inputs-up to 12V single-point ground High-voltage surges power lines lightning high-voltage equipment,42,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型,多路复用 多路复用(multiplexing)的作用是以较低的价格有效地扩展DAQ板的I/O能力。 对快速应用场合，应注意用于模入的多路复用电路与DAQ板的扫描速率要足够快 同时采样与多路复用-S/H技术Tset + Tacq +Tscan(N-1),43,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型
12、,数字信号调理 通常不可直接将研究或工业现场的数字信号不加调理就接入DAQ板，以免高压火花或大共模电压损坏DAQ板。应选用带有调理数字 I/O 信号的光隔离电 路的调理模块或调理板。 DI/O信号通常用来控制机电或固态继电器。,44,2.4 信号获取与信号调理技术,2.4.2 常用信号调理类型,2.5 测量放大器,高输入阻抗放大器,45,为保证共模抑制比，取R1Rf1-1 = Rf2R4-1 则放大器输出为,2.5 测量放大电路,46,特点：输入阻抗和共模抑制,测量放大器的电路原理,1. 求测量放大器的增益已知R1，R2，R3,R4,R5,R6,Uo1, Uo2,求Uo当R1=R2 R3=R4
13、 R5=R6 ,求Uo,47,2.5 测量放大电路,测量放大器的主要技术指标,共模抑制比 温度漂移 非线性度 建立时间 恢复时间 电源引起的失调,48,2.5 测量放大电路,采样/保持器及其参数,采样保持的必要性为了避免在A/D转换期间由于信号变化而产生误差。采样保持的基本作用取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。,49,2.6 采样保持器及其测量方案,采样/保持器的简单工作原理,50,2.6 采样保持器及其测量方案,51,2.6 采样保持器及其测量方案,采样/保持器的主要技术指标,52,（1）捕获时间tAC(2) 孔径时间tAP （3）保持建立时间tHS （4）孔径抖动tAJ （5）衰减率,2.6 采样保持器及其测量方案,方案1：不带采样/保持器的A/D转换通道,53,对于直流或低频信号，可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。,模拟输入信号的最大变化率与A/D转换器的转换速率有如下关系：,54,式中：tc为A/D转换器的转换时间；UFS为A/D转换器的满量程电压；n为A/D转换器的位数。,2.6 采样保持器及其测量方案,方案2：带采样/保持器的A/D转换通道,当模拟输入信号变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样/保持器的孔径时间tAp，其关系为,
