第一章2節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、22:361 微型計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于測量和控制，形成了各種各樣的通用或?qū)Ｓ梦C(jī)測控系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能把模擬的物理參數(shù)的真實(shí)世界與數(shù)字處理和數(shù)字控制的仿真世界連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的功能。 22:362 圖2.1.1數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)22:363 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（設(shè)備）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（設(shè)備）是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是將外部世界的信息，連續(xù)變化的物理量形式，例如溫度、壓力、位移、速度等，將這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。將這些連續(xù)的物理量離

2、散化，并進(jìn)行量化編碼，從而變成數(shù)字量，方便使用。22:364圖2.1.2 微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)22:365輸出控制輸出控制 數(shù)據(jù)分配是數(shù)據(jù)收集的逆向轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)化的反饋控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)的輸入，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)輸出控制功能來閉合過程控制回路。 一般計(jì)算機(jī)的控制輸出是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，-DO 有時(shí)需要轉(zhuǎn)換成模擬信號以驅(qū)動過程。D/A 轉(zhuǎn)換采用D/A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器是通過緩沖鎖存器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線相連接，鎖存器的操作是由計(jì)算機(jī)控制的地址譯碼與控制邏輯來完成。 22:366圖2.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閥門22:367 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本問題如下： 輸入輸出通道的分辨率及精度； 輸入輸出

3、通道數(shù)及多通道的結(jié)構(gòu)配置； 輸入通道的采樣速率及數(shù)據(jù)吞吐率； 輸出通道的穩(wěn)定時(shí)間； 輸入模擬信號的調(diào)理； 輸出負(fù)載特性及驅(qū)動問題； 與微機(jī)接口時(shí)尋址和控制方式； 成本因素。22:368建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式有兩種：建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式有兩種：其一，選用標(biāo)準(zhǔn)集成電路自行設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是芯片級設(shè)計(jì)。其二，選用通用模塊板，通過標(biāo)準(zhǔn)總線的連接構(gòu)成所要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是板級設(shè)計(jì)，也稱之為系統(tǒng)集成。 前者經(jīng)濟(jì)合理，對設(shè)計(jì)者要求高，且周期長；后者可擴(kuò)展性好，周期短，但成本遠(yuǎn)高于前者，對特殊要求的應(yīng)用不能完全適用。 22:369 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)分配的綜合系統(tǒng)，既具有模擬信

4、號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能，又具有數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的功能。 可以說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信號變換并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換于一體的混合系統(tǒng)。22:3610 A/D-模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程是采樣過程與量化過程的結(jié)合，采樣的實(shí)質(zhì)是將連續(xù)信號離散化(采樣），量化的過程是將已離散的信號進(jìn)行編碼變換成數(shù)字碼的過程。 D/A-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程是將已采樣信號恢復(fù)的過程。22:3611 DO-開關(guān)量(數(shù)字量)信號輸出的過程。 Digital Output 它可由控制軟件將輸出通道變成高電平或低電平，通過驅(qū)動電路即可帶動繼電器或其他開關(guān)元件動作，也可驅(qū)

5、動指示燈顯示狀態(tài)。 開關(guān)量輸出DO信號可用來控制開關(guān)、交流接觸器、變頻器以及可控硅等執(zhí)行元件動作。DI-開關(guān)量(數(shù)字量)信號輸入的過程 Digital Input I/O 輸出/輸出22:3612 采樣采樣利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程。的過程。 Ts稱為采樣間隔，或采樣周期，稱為采樣間隔，或采樣周期，1/Ts = fs 稱為采樣頻率。稱為采樣頻率。 由于后續(xù)的量化過程需要一定的時(shí)間由于后續(xù)的量化過程需要一定的時(shí)間，對于隨時(shí)間變化的，對于隨時(shí)間變化的模擬輸入信號，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間模擬

6、輸入信號，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間內(nèi)保持不變，這樣內(nèi)保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)過程就是采樣保持。才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)過程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實(shí)際上采樣后的信號是階梯形的連續(xù)函正是有了采樣保持，實(shí)際上采樣后的信號是階梯形的連續(xù)函數(shù)。數(shù)。 1、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 模擬信號0,1,2,3,2,1,采樣量化數(shù)字信號2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3613012345678012345編碼編碼將離散幅值經(jīng)將離散幅值經(jīng) 過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過程過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過程4位位A/D: XXXXX(1) 0101X(2) 0011X

7、(3) 0000量化量化把采樣信號經(jīng)過舍入或截尾的方法變?yōu)橹挥杏邪巡蓸有盘柦?jīng)過舍入或截尾的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，稱為量化。限個(gè)有效數(shù)字的數(shù)，稱為量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0 x(4)=0 x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信號的六等份量化過程信號的六等份量化過程2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:36142) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (1) 分辨率分辨率 用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有誤差越小，分辨力越高。常用有8位、位、10位、位、12

8、位、位、16位等。位等。(2) 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如:1ms(1kHz)； 10us(100kHz) (3) 模擬信號的輸入范圍模擬信號的輸入范圍 如，如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。等。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:36152) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (4) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 A/D轉(zhuǎn)換器中采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換器中采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。 a) 分辨率用來說明分辨率用來說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力，有分辨能力，有n位輸出

9、的位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個(gè)不個(gè)不同等級，因此分辨率同等級，因此分辨率=VImax/2n，式中，式中，VImax是是輸入模擬信號的最大值。輸入模擬信號的最大值。 b) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出，它表示實(shí)際輸出數(shù)字量和理論最大值形式給出，它表示實(shí)際輸出數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的差別，通常規(guī)定應(yīng)小于上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的差別，通常規(guī)定應(yīng)小于1/2LSB。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:36162、D/A轉(zhuǎn)換過程和原理轉(zhuǎn)換過程和原理 D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝轉(zhuǎn)換器是

10、把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝置。置。 D/A轉(zhuǎn)換器一般先通過轉(zhuǎn)換器一般先通過T型電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)型電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖信號，然后通過零階保持電路將其轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖信號，然后通過零階保持電路將其轉(zhuǎn)換為階梯換為階梯狀狀的連續(xù)電信號。只要采樣間隔足夠密，就的連續(xù)電信號。只要采樣間隔足夠密，就可以精確的復(fù)現(xiàn)原信號。為減小零階保持電路帶來的可以精確的復(fù)現(xiàn)原信號。為減小零階保持電路帶來的電噪聲，還可以在其后接一個(gè)低通濾波器。電噪聲，還可以在其后接一個(gè)低通濾波器。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3617 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (1) 分辨

11、率分辨率 D/A轉(zhuǎn)換器的分辨力用可用輸入的二進(jìn)制數(shù)碼的轉(zhuǎn)換器的分辨力用可用輸入的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)來表示。位數(shù)越多，則分辨力也就越高。常用位數(shù)來表示。位數(shù)越多，則分辨力也就越高。常用的有的有8位、位、10位、位、12位、位、16位、位、24位、位、32位等。位等。12位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/212 =0.024%。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3618 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (2) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度定義為實(shí)際輸出與期望輸出之比。以轉(zhuǎn)換精度定義為實(shí)際輸出與期望輸出之比。以全程的百分比或最大輸出電壓的百分比表示。理論全程的

12、百分比或最大輸出電壓的百分比表示。理論上上D/A轉(zhuǎn)換器的最大誤差為最低位的轉(zhuǎn)換器的最大誤差為最低位的1/2，10位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/210，約為，約為0.1%，它的精度為，它的精度為0.05%。如。如10位位D/A轉(zhuǎn)換器的滿程輸出為轉(zhuǎn)換器的滿程輸出為10V，則它，則它的最大輸出誤差為的最大輸出誤差為10V0.0005=5mV。 2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3619 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (3) 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換速度是指完成一次D/A轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換速度就越低。轉(zhuǎn)

13、換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換速度就越低。1ms(1k) 所有通道的轉(zhuǎn)換工作必須在一個(gè)采樣間隔中完成，否則，會造成數(shù)據(jù)積壓。完成一路信號的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間應(yīng)小于TS /n（n為輸入量通道數(shù)）。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3620A/D、D/A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實(shí)驗(yàn)：2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)22:3621一、信號采樣一、信號采樣 采樣是將采樣脈沖序列采樣是將采樣脈沖序列p(t)與信號與信號x(t)相乘，取離散相乘，取離散點(diǎn)點(diǎn)x(nt)值的過程。值的過程。p(t)x(t)x(nt)2.2.2 采樣定理采樣定理22:3622)(

14、X)(tx)(tp)(txs)(Pt)(sXmmsTsTstssT1sTsTsts000000 一個(gè)連續(xù)信號經(jīng)過一個(gè)連續(xù)信號經(jīng)過理想采樣以后，它的頻理想采樣以后，它的頻譜將沿著頻率軸每隔一譜將沿著頻率軸每隔一個(gè)采樣頻率個(gè)采樣頻率s ,重復(fù)出現(xiàn)重復(fù)出現(xiàn)一次，即其頻譜產(chǎn)生了一次，即其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，其幅值被采周期延拓，其幅值被采樣脈沖序列的傅立葉系樣脈沖序列的傅立葉系數(shù)（數(shù)（Cn=1/Ts)所加權(quán)，其所加權(quán)，其頻譜形狀不變。頻譜形狀不變。 一、信號采樣一、信號采樣2.2.2 采樣定理采樣定理22:3623 1 頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象 （a）采樣頻率等于信號頻率，正弦信號離散后得到直流信號）采樣頻率等

15、于信號頻率，正弦信號離散后得到直流信號（b）采樣頻率等于信號頻率的）采樣頻率等于信號頻率的2倍，正弦信號離散后得到三角波信號倍，正弦信號離散后得到三角波信號（c）采樣頻率小于信號頻率的）采樣頻率小于信號頻率的2倍，正弦信號離散后得到更低頻倍，正弦信號離散后得到更低頻率的正弦信號率的正弦信號2.2.2 采樣定理采樣定理22:3624 當(dāng)采樣信號的頻率低于被采樣信號的最高頻率時(shí)，當(dāng)采樣信號的頻率低于被采樣信號的最高頻率時(shí)，采樣所得的信號中混入了虛假的低頻分量，這種現(xiàn)采樣所得的信號中混入了虛假的低頻分量，這種現(xiàn)象叫做頻率混疊。象叫做頻率混疊。(a)采樣頻率采樣頻率合適合適的情況下復(fù)原信號；的情況下復(fù)

16、原信號；(b)采樣頻率過低的情況下，復(fù)原的是一個(gè)虛假的采樣頻率過低的情況下，復(fù)原的是一個(gè)虛假的低頻信號。低頻信號。 1 頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象 2.2.2 采樣定理采樣定理22:3625 頻混現(xiàn)象又稱頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號頻譜發(fā)生頻混現(xiàn)象又稱頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象。變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象。 1 頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象 2.2.2 采樣定理采樣定理22:3626 1 頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象 l信號信號x(t)的傅里葉變換為的傅里葉變換為X()，其頻帶范圍為，其頻帶范圍為 -mm；l當(dāng)采樣周期當(dāng)采樣周期Ts較小時(shí)，較小時(shí)，s2m，

17、周期譜圖相互分離，周期譜圖相互分離如圖中如圖中(b)所示；所示；l當(dāng)當(dāng)Ts較大時(shí)，較大時(shí)，s2m，周期譜圖相互重疊，即譜圖，周期譜圖相互重疊，即譜圖中高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖中中高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖中(c)所示，此即頻所示，此即頻混現(xiàn)象，這將使信號復(fù)原時(shí)丟失原始信號中的高頻信混現(xiàn)象，這將使信號復(fù)原時(shí)丟失原始信號中的高頻信息。息。2.2.2 采樣定理采樣定理22:36272 采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的的2倍倍。這是采

18、樣的基本法則，稱為采樣定理，亦稱。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理，亦稱仙農(nóng)定理。仙農(nóng)定理。fs 2 fmax 2.2.2 采樣定理采樣定理22:3628 注意：注意：滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證采樣信號能真實(shí)地反映原信號不能保證采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。工程實(shí)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的35倍。倍。2 采樣定理采樣定理2.2.2 采樣定理采樣定理22:3629A/D采樣前的抗混迭濾波：采樣前的抗混迭濾波：物理信號物理信號對象對象傳傳感感器器電信號電信號放放大大調(diào)調(diào)制制

19、電信號電信號A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字信號展開展開低通濾波低通濾波(0Fs/2)放大放大2 采樣定理采樣定理2.2.2 采樣定理采樣定理22:3630 為便于數(shù)學(xué)處理，對截?cái)嘈盘栕鲋芷谘油?，得到為便于?shù)學(xué)處理，對截?cái)嘈盘栕鲋芷谘油?，得到虛擬的無限長信號。虛擬的無限長信號。 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時(shí)，不可能對無限長的信用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時(shí)，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，這個(gè)過程稱信號截?cái)?。這個(gè)過程稱信號截?cái)唷?2.2.2 采樣定理采樣定理22:3631 周期延拓后的信號與真實(shí)信號是不同的，下面從周期延

20、拓后的信號與真實(shí)信號是不同的，下面從數(shù)學(xué)的角度來看這種處理帶來的誤差情況。數(shù)學(xué)的角度來看這種處理帶來的誤差情況。 設(shè)有余弦信號設(shè)有余弦信號x(t)，用矩形窗函數(shù)，用矩形窗函數(shù)w(t)與其相乘，與其相乘，得到截?cái)嘈盘枺旱玫浇財(cái)嘈盘枺簓(t) =x(t)w(t) 將截?cái)嘈盘栕V將截?cái)嘈盘栕V XT()與原始信號譜與原始信號譜X()相比較可相比較可知，它已不是原來的兩條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)知，它已不是原來的兩條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)譜譜. 原來集中在原來集中在f0處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏。去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏。2.

21、2.3 信號的截?cái)唷⒛芰啃孤缎盘柕慕財(cái)?、能量泄?2:3632周期延拓信號與真實(shí)信號是不同的：周期延拓信號與真實(shí)信號是不同的：能量泄漏誤差能量泄漏誤差2.2.3 信號的截?cái)唷⒛芰啃孤缎盘柕慕財(cái)?、能量泄?2:3633克服方法之一：信號整周期截?cái)嗫朔椒ㄖ唬盒盘栒芷诮財(cái)?.2.3 信號的截?cái)?、能量泄露信號的截?cái)?、能量泄?2:3634 為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對信號進(jìn)行截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。對信號進(jìn)行截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，如果兩側(cè)瓣的高泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，如果兩

22、側(cè)瓣的高度趨于零，而使能量相對集中在主瓣，就可以較為接度趨于零，而使能量相對集中在主瓣，就可以較為接近于真實(shí)的頻譜。近于真實(shí)的頻譜。 克服方法之二：窗函數(shù)克服方法之二：窗函數(shù)2.2.3 信號的截?cái)唷⒛芰啃孤缎盘柕慕財(cái)唷⒛芰啃孤?2:3635 常用窗函數(shù)：常用窗函數(shù)： (1) (1) 冪窗冪窗采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其它時(shí)間矩形、三角形、梯形或其它時(shí)間(t)(t)的高次冪；的高次冪； (2) (2) 三角函數(shù)窗三角函數(shù)窗應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成復(fù)合函數(shù)，例如漢寧窗、海明窗等；弦函數(shù)等組合成復(fù)合函數(shù)，例如

23、漢寧窗、海明窗等； (3) (3) 指數(shù)窗指數(shù)窗采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如e-ste-st形式，形式，例如高斯窗等例如高斯窗等克服方法之二：窗函數(shù)克服方法之二：窗函數(shù)2.2.3 信號的截?cái)?、能量泄露信號的截?cái)唷⒛芰啃孤?2:36361. 矩形窗矩形窗 TtTt/Ttw01 TTw2sin矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，函數(shù)形式為矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，函數(shù)形式為相應(yīng)的窗譜為：相應(yīng)的窗譜為：矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號通過了矩形窗矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號通過了矩形窗優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中缺點(diǎn)：旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高缺點(diǎn)：旁

24、瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象。頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象。2.2.3 信號的截?cái)唷⒛芰啃孤缎盘柕慕財(cái)?、能量泄?2:36372. 三角窗三角窗 TtTtTtTtw0-11 222sinT/T/w三角窗亦稱費(fèi)杰三角窗亦稱費(fèi)杰( (Fejer) )窗，是冪窗的一次方形式：窗，是冪窗的一次方形式：相應(yīng)的窗譜為：相應(yīng)的窗譜為： 三角窗與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗三角窗與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無負(fù)旁瓣。的兩倍，但旁瓣小，而且無負(fù)旁瓣。2.2.3 信號的截?cái)?、能量泄露信號的截?cái)唷⒛芰啃孤?2:3638 3. 漢寧漢寧(Hanni

25、ng)窗窗 TtTtTtTtw0cos21211 2sinsin21sinTTTTTTw漢寧窗又稱升余弦窗，其時(shí)域表達(dá)式為：漢寧窗又稱升余弦窗，其時(shí)域表達(dá)式為：相應(yīng)的窗譜為：相應(yīng)的窗譜為： 與矩形窗對比，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則與矩形窗對比，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則顯著減小。漢寧窗的旁瓣衰減速度也較快。比較可知，顯著減小。漢寧窗的旁瓣衰減速度也較快。比較可知，從減小泄漏觀點(diǎn)出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗。但漢寧窗從減小泄漏觀點(diǎn)出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗。但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。2.2.3 信號的截?cái)?、能量泄露信號的截?cái)?、?/p>

26、量泄露22:3639 在考慮模擬信號輸入通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)必須注意以下特征指標(biāo)： （1）輸入信號電平，一般將1V以上的電壓信號和1mA以上的電流信號作為高點(diǎn)平信號，電壓小于1mV和電流小于1mA的信號作為低電平信號。22:3640 （2）輸入容量，它是指能接收的模擬信號的點(diǎn)數(shù)，即通道數(shù)。 （3）采樣轉(zhuǎn)換速度，它是指總的模擬輸入通道將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳送至微機(jī)或存儲單元的速度，一般以每秒點(diǎn)數(shù)為標(biāo)志。 （4）系統(tǒng)總精度，一般為1.00.01%。 （5）共模抑制比。22:3641 系統(tǒng)采樣速度和信號電平是區(qū)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要標(biāo)志。按采樣轉(zhuǎn)換速度快慢分為低速、中速和高速，且在低電平和高電平下具有不同

27、的意義。模擬信號輸入通道速度分類(點(diǎn)/秒) 類 別低電平高電平低 速200100005000022:3642 1）分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖2.3.1分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 22:3643 傳感器輸出的單端或雙端信號經(jīng)端子板輸入給信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理的內(nèi)容取決于傳感器的電特性和信號用途，典型的調(diào)理包括：電的隔離、阻抗變換、放大、濾波、線性化以及各種各樣的計(jì)算等。 經(jīng)過調(diào)理的模擬信號達(dá)到數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍（如電壓為05V，電流為420mA），再輸出給模擬多路選通開關(guān)。 22:3644 在控制器的控制指令控制下。某一通道被選通，便進(jìn)入采樣保持放大器。采樣保持放大器的輸出接A/D轉(zhuǎn)換器，

28、在計(jì)算機(jī)的控制下完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)傳感器輸出高電平信號時(shí)，輸入端子板只需從機(jī)械方面考慮接線端的問題。 22:3645 若傳感器輸出低電平信號時(shí)，輸入端子板不但要從機(jī)械方面考慮接線端的問題，還必須從電的方面加以考慮，特別要注意熱電勢及共模電壓引起的誤差，且信號調(diào)理電路必須有足夠的增益，以使低電平信號滿量程放大到后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程。 22:3646 2）偽同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)圖3.3.2 偽同步多通道數(shù)據(jù)收集 22:3647 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是每個(gè)通道加了采樣保持放大器，可使各輸入通道的信號被同時(shí)采樣，消除了分時(shí)采樣帶來的時(shí)間歪斜誤差。但由于A/D轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)，轉(zhuǎn)

29、換過程仍是分時(shí)進(jìn)行的，在這一過程中由于各采樣保持放大器在保持時(shí)間內(nèi)的被保持信號的變化量不同，因此這種方式并不是真正同步的，故稱之為偽同步或準(zhǔn)同步。 偽同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的主要特點(diǎn)22:3648 3）同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)圖3.3.3 同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 22:3649 這是完全與實(shí)際自然時(shí)間同步的多通道數(shù)據(jù)收集結(jié)構(gòu)。不但采樣同步，消除了分時(shí)采集的歪斜誤差，而且轉(zhuǎn)換也是同步的，因此各通道轉(zhuǎn)換值完全瞬時(shí)對應(yīng)。 上述三種結(jié)構(gòu)目前均有應(yīng)用，究竟采用那一種結(jié)構(gòu)，一般根據(jù)被采集信號的頻率范圍確定，對于緩變信號一般采用分時(shí)收集結(jié)構(gòu)，對于中頻范圍的信號采用準(zhǔn)同步收集結(jié)構(gòu)，而對于動態(tài)范圍大的信號或高

30、頻信號應(yīng)采用同步結(jié)構(gòu)。22:3650采用多路開關(guān)的原因：采用多路開關(guān)的原因： A/D芯片的價(jià)格較貴，一般是多路模擬信號公用一片A/D芯片的方式。故利用多路開關(guān)，使其在任一時(shí)刻，只有一路已采樣的模擬信號接入A/D芯片 的輸入端，進(jìn)行模/數(shù)變換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將結(jié)果存入指定的存貯區(qū)，然后由CPU控制，使下一路信號輸入到A/D芯片直至將全部模擬信號轉(zhuǎn)換完成。22:3651 在考慮模擬信號輸出通道結(jié)構(gòu)時(shí)必須注意以下特征指標(biāo)： 輸出信號是電壓還是電流，還是兩者均有，是否有電隔離要求； 輸出容量，這是指輸出通道數(shù)； 輸出精度； 輸出穩(wěn)定時(shí)間。22:3652 1）數(shù)字分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)是每個(gè)通道配置一

31、套輸出數(shù)據(jù)鎖存器和D/A轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線分時(shí)地選通至各通道輸出鎖存器，與此同時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器立即實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到模擬信號的轉(zhuǎn)換。 各通道的輸出部分一般都設(shè)有信號調(diào)理電路，以完成V/I或I/V轉(zhuǎn)換、輸出信號標(biāo)度變換，必要時(shí)進(jìn)行信號濾波或電氣隔離。 22:3653圖3.3.4 數(shù)字分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 22:3654 2）數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖3.3.5 數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 22:3655 這種結(jié)構(gòu)在分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一級鎖存器，計(jì)算機(jī)將分時(shí)處理后的數(shù)據(jù)分時(shí)鎖存入第一級鎖存器，待每個(gè)通道的鎖存器均已鎖存完畢后，再發(fā)出控制信號，將第一級鎖存器中的數(shù)據(jù)同步鎖存入第二級鎖存器

32、，再由后續(xù)D/A轉(zhuǎn)換器同步轉(zhuǎn)換輸出。22:3656 3）分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)圖3.3.6 分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu) 22:3657 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是各通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線依通道順序分時(shí)傳送至輸出鎖存器并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)通道的模擬輸出值，而每個(gè)模擬輸出通道在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，計(jì)算機(jī)選通相應(yīng)通道的采樣保持器進(jìn)行跟隨，當(dāng)該通道轉(zhuǎn)換完成并接至下一個(gè)通道進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，該通道的采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)。 22:3658 顯然，正在進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換的通道，采樣保持器是跟隨狀態(tài)，而其它通道的采樣保持器都處在保持狀態(tài)。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)

33、點(diǎn)是成本低，但是其缺點(diǎn)是在保持期間模擬輸出值由于采樣保持器的“漏電”會發(fā)生變化，如果每一輪的輸出周期較長，這種由于“漏電”造成的輸出誤差就較大。為保證輸出精度，對同一數(shù)據(jù)要進(jìn)行“刷新”操作，從而加大了軟件的復(fù)雜性。 22:3659 模擬信號輸入輸出的控制采用兩種不同的接口編址技術(shù)。即I/O專用編址和存儲器統(tǒng)一編址。使用那一種方法，將影響模擬信號輸入輸出系統(tǒng)的效率和軟件。不論什么編址方法。模擬信號輸入輸出接口系統(tǒng)中都必須有一個(gè)硬件地址譯碼設(shè)備，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對接口系統(tǒng)實(shí)施有序管理。 22:3660 1） I/O專用編址技術(shù) I/O專用編址是指I/O的地址空間與存儲器的地址空間是互相獨(dú)立的，微處理

34、器設(shè)有專門的輸入、輸出指令，I/O系統(tǒng)與CPU的數(shù)據(jù)交換是通過輸入輸出指令進(jìn)行的。80X86微處理器系統(tǒng)采用的就是這種編址技術(shù)。22:3661 2）存儲器統(tǒng)一編址技術(shù) 這種方法不設(shè)專門的I/O地址空間，而是在存儲器空間中劃出一個(gè)區(qū)域作為模擬I/O子系統(tǒng)的尋址區(qū)，不設(shè)立專門的輸入輸出指令，而是使用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中存儲器指令對I/O系統(tǒng)進(jìn)行操作。51系列單片機(jī)采用的就是這種編址技術(shù)。22:3662 計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制通常采用下面三種控制方式： 1）程序通道I/O傳送 最基本的控制結(jié)構(gòu)包括查詢和中斷，都是程序通道I/O傳送方式。其特點(diǎn)是：模擬I/O子系統(tǒng)的全部功能都是在計(jì)算機(jī)CPU的程序控制

35、下實(shí)現(xiàn)的。 22:3663 (a) (b) 圖3.3.7 程序通道I/O傳送結(jié)構(gòu)原理 (a) 查詢 (b) 中斷22:3664 不論采用哪種編址方法，它們都是在計(jì)算機(jī)的讀/寫命令的控制下，進(jìn)行選擇通道號、啟動轉(zhuǎn)換，取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果值或送D/A數(shù)據(jù)等操作。 由于模擬I/O子系統(tǒng)對CPU而言是一種外圍設(shè)備，因此，在程序通道I/O傳送中，既允許采用查詢方式也允許采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此在模擬I/O子系統(tǒng)中一般都設(shè)有供查詢的狀態(tài)標(biāo)志和有關(guān)中斷控制電路。22:3665 2）直接存儲器存取（DMA結(jié)構(gòu)） 在程序通道I/O傳送方式中，數(shù)據(jù)交換是在CPU與RAM之間進(jìn)行的，CPU發(fā)出地址及讀/寫信號，

36、并經(jīng)過數(shù)據(jù)總線傳送信號。此時(shí)外設(shè)與RAM交換信息必須借助I/O指令和并行或串行I/O通道，通過CPU的累加器與RAM交換信息。 22:3666 用這種控制方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，速度較慢，不適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用 DMA結(jié)構(gòu)，其工作過程如下： 首先，CPU根據(jù)一定的要求對DMA進(jìn)行編程（初始化），設(shè)置傳送字節(jié)數(shù)內(nèi)存地址， DMA處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完一個(gè)數(shù)據(jù)，即向DMA發(fā)出一個(gè)準(zhǔn)備好信號，送到DMA的READY輸入端。 22:3667 DMA檢測到READY信號有效，便向CPU發(fā)出總線請求信號BUSRQ，CPU接到BUSRQ信號后，向 DMA發(fā)回答B(yǎng)USACK

37、信號，表示準(zhǔn)備出讓總線控制權(quán)，DMA接到該信號后，即開始實(shí)行總線控制。這時(shí)CPU被掛起來，所有數(shù)據(jù)總線、地址總線和部分控制總線均由 DMA管理，并按規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫操作。DMA傳送數(shù)據(jù)一結(jié)束，便自動撤消向CPU提出的總線請求信號， CPU重新控制總線。 22:3668 3）通道表結(jié)構(gòu) 圖3.3.8 通道表結(jié)構(gòu)框圖 22:3669 通道表結(jié)構(gòu)可以對各個(gè)模擬輸入通道的采樣率、增益和通道順序用列表的形式預(yù)先選擇，解決了在隨機(jī)增益和通道輸入條件下進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的問題。 在初始狀態(tài)，先由用戶編制好采樣表，采樣表由若干控制字組成，控制字的內(nèi)容是每次采樣轉(zhuǎn)換的通道和相應(yīng)的增益，控制字的長度依據(jù)通

38、道數(shù)和增益的擋數(shù)而定，一般一個(gè)字節(jié)的長度即可滿足要求。 22:3670 采樣表編制完成后由控制程序通過控制邏輯控制地址計(jì)數(shù)器寫入采樣表RAM。采樣表裝入完成后，RAM轉(zhuǎn)入讀出狀態(tài)，在控制邏輯的控制下依次讀出控制字，開始按照預(yù)定的采樣順序和增益進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集的格式可以任意改變，既適用于低、中速數(shù)據(jù)采集，也適用于高速數(shù)據(jù)采集，還可勝任遙測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集。 22:36712.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.4.1 方案設(shè)計(jì) 2.4.2 設(shè)備選型 2.4.3 程序選擇22:3672數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量，依賴于各種類型的傳感器。傳感

39、器的輸出 信號信號 可分為三類：開關(guān)信號：兩個(gè)狀態(tài)的信號。如電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停車；開關(guān)的合與斷；以及各種開關(guān)型傳感器的輸出信號等。開關(guān)信號只用一位二進(jìn)制表示。因此8位機(jī)可以同時(shí)處理8個(gè)開關(guān)信號。 22:3673數(shù)字信號：用二進(jìn)制數(shù)形式表示的數(shù)。數(shù)字信號可以是數(shù)字電壓表、鍵盤、數(shù)字輸出的裝置輸出的信息，也可以是頻率輸出型傳感器的輸出信息。微機(jī)可以直接接收數(shù)字信號。8位微機(jī)一次只能接收8位二進(jìn)制表示的數(shù)字量，超過8位時(shí)，必須分幾次來接收。模擬信號，指在連續(xù)時(shí)間內(nèi)，對信號的幅值可以在某范圍內(nèi)連續(xù)任意取值。我們所討論的微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要處理的即是這一類信號。模擬信號微機(jī)不能直接接收和處理，常要通過模數(shù)轉(zhuǎn)

40、換器（A/D）將模擬量轉(zhuǎn)換成微機(jī)能處理的數(shù)字信號。22:3674一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素v 1 1、輸入信號的特性、輸入信號的特性 電壓電壓 電流電流 v 2 2、對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求、對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求v 3 3、接口特性、接口特性v 4 4、軟件、軟件2.4.1 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)干什么用？干什么用？22:36751 1、輸入信號的特性：、輸入信號的特性： 信號的數(shù)量信號的數(shù)量 多少路？多少路？ 信號類型信號類型 電壓電壓 電流電流 數(shù)字?jǐn)?shù)字 脈沖脈沖 信號的輸入方式信號的輸入方式 （單端、差動、單極性、雙極性，接地、浮地單端、差動、單極性、雙極

41、性，接地、浮地） 信號的強(qiáng)弱及動態(tài)范圍信號的強(qiáng)弱及動態(tài)范圍 信號中的噪聲信號中的噪聲 共模電壓大小共模電壓大小 信號源的阻抗信號源的阻抗共模電壓(common mode voltage):在每一導(dǎo)體和所規(guī)定的參照點(diǎn)之間（往往是大地或機(jī)架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值?；蛘哒f同時(shí)加在電壓表兩測量端和規(guī)定公共端之間的那部分輸入電壓。22:3676信號的輸入方式信號的輸入方式l 電壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。電壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。 接地信號：將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物接地信號：將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因?yàn)樾盘栍玫氖窍到y(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共

42、地的。的地。因?yàn)樾盘栍玫氖窍到y(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。 浮動信號：一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電浮動信號：一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個(gè)端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個(gè)端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。常見的浮動信號有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。常見的浮動信號有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。 測量系統(tǒng)可以分為差分（測量系統(tǒng)可以分為差分（Differential）、參考地單端（）、參考地單端（RSE）、）、無參考地單端（無參考地單端（NRSE）三種類型。）三種類型。 22:3677l 差分測量系統(tǒng)：信號輸入端分

43、別與一個(gè)模入通道相連接。具差分測量系統(tǒng)：信號輸入端分別與一個(gè)模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。22:3678l 一個(gè)理想的差分測量系統(tǒng)僅能測出一個(gè)理想的差分測量系統(tǒng)僅能測出(+)和和(-)輸入端口之間的輸入端口之間的電位差，完全不會測量到共模電壓；電位差，完全不會測量到共模電壓；l 實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對于測實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對于測量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動范圍；量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動范圍；l 可以用不同的方式來消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共?？梢杂貌煌姆绞絹硐材ｋ妷旱挠?/p>

44、響。如果系統(tǒng)共模電壓超過允許范圍，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之電壓超過允許范圍，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；間的浮地電壓，以避免測量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤； 22:3679l 參考地單端測量系統(tǒng)參考地單端測量系統(tǒng)(Referenced Single-End，RSE)：也：也叫做接地測量系統(tǒng)，被測信號一端接模擬輸入通道，另一叫做接地測量系統(tǒng)，被測信號一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地端接系統(tǒng)地AIGND。22:3680l 無參考地單端測量系統(tǒng)無參考地單端測量系統(tǒng)(NRSE)：信號的一端接模擬輸入：信號的一端接模擬輸入通道，另一端接一個(gè)公用參考端，但這個(gè)參考端電壓相對通

45、道，另一端接一個(gè)公用參考端，但這個(gè)參考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。22:3681l 幾種信號輸入方式的特點(diǎn)幾種信號輸入方式的特點(diǎn) 差分輸入差分輸入 可避免接地回路干擾可避免接地回路干擾 可避免因環(huán)境引起的共模干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾 NRSE 可避免接地回路干擾可避免接地回路干擾 RSE 最簡單，若信號滿足下列條件，可選擇最簡單，若信號滿足下列條件，可選擇RSE輸入輸入22:3682l 若信號滿足下列條件，可選擇若信號滿足下列條件，可選擇RSE測量方式：測量方式： 輸入信號幅值較大，一般需輸入信號幅值較大，一般需1V； 連線比較短，一般連線比

46、較短，一般5m； 環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好；環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好； 所有輸入信號都與信號源共地。所有輸入信號都與信號源共地。l 否則建議選用差分輸入方式，總體而言，差分輸入方式是比較否則建議選用差分輸入方式，總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇好的選擇l 輸入信號源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配：輸入信號源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配： 對于電池、對于電池、RTD、應(yīng)變片、熱電偶等信號源，由于阻抗很小，、應(yīng)變片、熱電偶等信號源，由于阻抗很小，可以將這些信號源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號調(diào)理硬件上?？梢詫⑦@些信號源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號調(diào)理硬件上。 直接將高阻抗的

47、信號源接到插入式板卡上會導(dǎo)致出錯(cuò)。直接將高阻抗的信號源接到插入式板卡上會導(dǎo)致出錯(cuò)。22:36832.2.對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：1.1. 系統(tǒng)的采集速率系統(tǒng)的采集速率2.2. 系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度3.3. 系統(tǒng)的分辨率系統(tǒng)的分辨率1.1. 主機(jī)（主機(jī)（PCPC、MCUMCU單片機(jī)、DSPDSP數(shù)字信號微處理器）2.2. 并行、串行、總線并行、串行、總線3.3.接口特性接口特性 ：22:36841.采集速率（系統(tǒng)通過速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)采集速率（系統(tǒng)通過速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采樣次的前提下，系統(tǒng)

48、對輸入模擬信號在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。“采集采集”包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲等過程。存儲等過程。采集速率的倒數(shù)是采樣周期。采集速率的倒數(shù)是采樣周期。2.系統(tǒng)精度：當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的系統(tǒng)精度：當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值實(shí)際輸出值與與理論輸出值理論輸出值之差，

49、它是系統(tǒng)之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。22:3685數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)3.系統(tǒng)分辨率：系統(tǒng)分辨率：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常用最低有效位值（化量。通常用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿刻度信號的百）占系統(tǒng)滿刻度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來表示。有時(shí)也分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來表示。有時(shí)也用信號滿刻度值可以劃分的級數(shù)來表示。用信號滿刻度值可以劃分的級數(shù)來表示。 位數(shù)位數(shù)級數(shù)級數(shù)1 LSB（滿度值的百分?jǐn)?shù)）

50、（滿度值的百分?jǐn)?shù)） 1 LSB（10V滿度）滿度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.0015%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV24167772160.0000060%0.60 uV表表 系統(tǒng)的分辨率（滿度值為系統(tǒng)的分辨率（滿度值為10 V）22:36862.4.1 方案設(shè)計(jì)方案1：遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2：基于基于USB2.0的高速同步的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3：基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案4：人體溫

51、濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案5：基于基于Win98平臺的平臺的DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)22:368722:3688 工業(yè)環(huán)型以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)易擴(kuò)展開放式的監(jiān)控系統(tǒng)，是目前世界上先進(jìn)的過程自動化系統(tǒng)開放式解決方案，是面向工廠自動化的新一代開放式SCADA(易擴(kuò)展開放式的監(jiān)控系統(tǒng))。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中由監(jiān)控總站的管理計(jì)算機(jī)、數(shù)字服務(wù)器、視頻服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和各種礦用儀器儀表搭建而成。系統(tǒng)的主干網(wǎng)采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，用以保證各監(jiān)測、監(jiān)控信息進(jìn)行高速傳輸和交換，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。主干網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)具有冗余性，設(shè)備具有糾錯(cuò)能力，具有靈活性和可擴(kuò)展性，保

52、證了高可靠性，同時(shí)還能支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。主干網(wǎng)的連接采用光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI），整個(gè)系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方案3：基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)22:3689 利用DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用了ISA總線與PC機(jī)接口。當(dāng)數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換采集進(jìn)來后，先存儲到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存SRAM中；當(dāng)數(shù)據(jù)存滿預(yù)定的字節(jié)數(shù)后，系統(tǒng)即向計(jì)算機(jī)發(fā)出DMA申請。DMA控制器在接管總線以后，在沒有CPU的干預(yù)下，以極快的速度將緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)總線送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。方案5：基于基于Win98平臺的平臺的DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.2 設(shè)備選型一、傳感器選擇二、板卡選擇三、軟件22:3690 傳感器是信號輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測試傳感器是信號輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 正確選用傳感器正確選用傳感器 明確所設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求。明確所設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求。 了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器。了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器。 自行設(shè)計(jì)自行設(shè)計(jì) 一、