現(xiàn)代安全監(jiān)控技術(shù)(四)

1、.1第第3章章 數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù)數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù) 3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ) 3.1.1 信號A/D、D/A轉(zhuǎn)換過程 1A/D轉(zhuǎn)換q 把連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換為與其相對應(yīng)的數(shù)字信號的過程稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）過程，反之則稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）過程。q 它們是數(shù)字信號處理的必要程序。q 一般監(jiān)測信號的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖如下：現(xiàn)代安全監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)代安全監(jiān)控技術(shù).23.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)一般數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖q 來自前級監(jiān)測系統(tǒng)的模擬信號經(jīng)抗頻混濾波器預(yù)處理，變成帶限信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再送入數(shù)字信號分析儀或數(shù)字計算機完成信號處理。如果需要，

2、再由D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。 D/A模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號分析儀或數(shù)字計算機A/D抗頻混濾波器模擬信號.33.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q A/D轉(zhuǎn)換過程包括了采樣、量化、編碼等環(huán)節(jié)，其工作原理如下圖所示。 A/D轉(zhuǎn)換過程1101Rttx(nt)x1(t)p(t)x(t)ox(n)x(n)數(shù)字信號模擬信號量化編碼采樣.43.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)（1）采樣。采樣又稱為抽樣，是利用采樣脈沖序列 ，從連續(xù)時間信號 中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號 的過程 。 稱為采樣間隔， 稱為采樣頻率。（2）量化。量化又稱幅值量化，是把采樣信號 經(jīng)過截尾或舍入的方法

3、變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化。q 設(shè)信號 可能出現(xiàn)的最大值為A，將其等分為D個間隔，每個間隔的長度為 ，)(tp)(tx)(tnx), 1 , 0(ntsft /1)(tnx)(txDAA/.53.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ) 稱為量化增量或量化步長。采樣信號 落在某一小區(qū)間內(nèi)，經(jīng)過截尾或舍入而變?yōu)橛邢拗禃r，將產(chǎn)生量化誤差。量化誤差呈等概率均勻分布，概率密度函數(shù) 。對于舍入方法，最大量化誤差應(yīng)是 ，其均方差 約為 。顯然，量化增量 越大，則量化誤差也越大。量化增量大小一般取決于A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)。例如，8位二進制為 ，即 為所測信號最大值的1/256。 )(tnxAAAp

4、/1)(A5 . 0A25628AA29. 0.63.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ) （3）編碼。編碼是將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字，以便計算機可以識別。q 信號 經(jīng)過上述變換以后，即成為時間上離散、幅值上量化的數(shù)字信號。 2D/A轉(zhuǎn)換q 數(shù)字信號經(jīng)過分析處理以后，有時還需復(fù)原為連續(xù)信號，以便于觀測或記錄。這時采用D/A轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。D/A轉(zhuǎn)換過程包括了譯碼與波形復(fù)原，如后圖所示。)(tx.73.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 譯碼是把數(shù)字信號恢復(fù)為有限幅值 的過程，波形復(fù)原則是把離散幅值恢復(fù)為連續(xù)波形的過程，一般由保持電路實現(xiàn)。q 例如，零階保持和一階多角保持等。零階 D/A轉(zhuǎn)換過

5、程iAtotoonx(t)x(n)x(t)x(t)x(t)x(n)D/A低通.83.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 保持是在兩個采樣值之間，令輸出保持前一個采樣值的值；一階多角保持是在兩個采樣值之間，令輸出為兩個采樣值的線性插值。由于經(jīng)過保持變換構(gòu)成的信號存在著不連續(xù)點，所以還須用模擬低通濾波器消除這些不連續(xù)點。3.1.2 采樣信號的頻譜 1時域采樣q 采樣過程是通過采樣脈沖序列 與連續(xù)時間信號 相乘來完成的。q 根據(jù)采樣脈沖序列的形狀，可分為理想脈)(tp)(tx.93.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 沖采樣與矩形脈沖采樣。q 理想脈沖采樣，其采樣脈沖序列 采樣信號 如果 那么，根據(jù)頻域卷積定理，有nsTs

6、nTtttp)()()()()()(tptxtxs)()()()(PtpFXtxF)()(21)(PXXs.103.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)理想脈沖采樣momX()P()sssootx(t)p(t)otTsTsxs(t)Xs()1/Tssso1/TsoTst1.113.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 又因采樣脈沖序列是一個周期函數(shù)，所以序列 的傅里葉變換應(yīng)為p 式中， 是 的傅里葉系數(shù) p 當(dāng) 為脈沖序列時， ，所以p )(tpnsnnCP)(2)(nC)(tp22)(1sssTTtjnndtetpTC)(tpsnTC/1nssnsnsnXTnXCX)(1)()(.123.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 此式表明

7、，一個連續(xù)信號經(jīng)過理想采樣以后，它的頻譜將沿著頻軸每隔一個采樣頻率 ，重復(fù)出現(xiàn)一次，即頻譜產(chǎn)生了周期延拓。其幅值被傅里葉系數(shù) 所加權(quán)，因為 ，所以頻譜形狀不變。q 當(dāng)采樣脈沖為矩形脈沖序列時，此時傅里葉系數(shù)p 所以采樣信號的傅里葉變換 nCsnTC/1)/2(ssT)2(sinssnncTEC nssssnXncTEX)()2(sin)(.133.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 顯然， 是 在以 為周期的重復(fù)過程中，其幅值按 規(guī)率變化的函數(shù)，如下圖所示。 )(sX)(XsX)2/(sinsnc矩形脈沖采樣ommotx(t)x()p(t)P()(a)(b)sos2/EotTsXs()Eso(c)otTs

8、xs(t).143.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ) 2頻域采樣 已知連續(xù)頻譜函數(shù) ，其對應(yīng)的時間函數(shù)為 ，若 在頻域中被間隔為 的脈沖序列 所采樣，采樣后的頻譜函數(shù)為 ，其所對應(yīng)的時間函數(shù)為 ，分析 與 之間的關(guān)系。 )(X)(tx)(X1)(1)(1X)(1tx)(1tx)(tx頻域采樣ottmtmx(t)X()o()11oI/1toT1T1x1(t)(a)(b)(c)oT1T1t11oX1()1( )Tt.153.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 已知， ，若頻域采樣滿足條件 式中，脈沖序列 p 根據(jù)p 則有 )()(txFX)()()(1XXnn)()(1nnnnTtF)()(111)(1)(1)()(11

9、1111tnTtnFFTnn.163.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 又根據(jù)時域卷積定理，有 p 即p 這樣便可以得到 被采樣以后 所對應(yīng)的時間函數(shù)p 此式表明，若 的頻譜 被間隔為 的脈沖序列在頻域中采樣，則在時域中等效于 以 為周期而重復(fù)，就是說，周)()()(1111FXFXFnnTttxtx)(1)()(111)(X)(1XnnTttx)(1)(111)(tx)(X1)(tx)/2(11T.173.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 期信號的頻譜是離散的。 q 由上述分析可知，傅里葉變換的另一個重要性質(zhì)，即信號的時域與頻域呈采樣（離散）與重復(fù)（周期）關(guān)系。 3.1.3 采樣定理 q 采樣定理說明了一個問題

10、，即當(dāng)對時域模擬信號采樣時，應(yīng)以多大的采樣周期（或稱采樣時間間隔）采樣，方不致丟失原始信號的信息，或者說，可由采樣信號無失真地恢復(fù)出原始信號。 .183.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 1頻混現(xiàn)象 q 頻混現(xiàn)象又稱頻譜混疊，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。信號 的傅里葉變換為 ，頻帶范圍為 ；采樣信號p 的傅里葉變換是一個周期譜圖，其周期為p ，并且 為時域采樣周期。當(dāng)采樣周期 較大時， ，周期譜圖相互重疊，如圖中(c)所示，即頻混現(xiàn)象，將使信號復(fù)原后丟失原始信號中的高頻信息。 )(tx)(Xmm)(txsssssTT ，/2sTms2.193.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)

11、采樣信號的頻混現(xiàn)象ommotX ()x(t)(a)xs(t)Xs()1 /Ts1smomsTsto(b )Xs()1 /TsTstosmmos(c)xs(t).203.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 2采樣定理 q 上述兩種情況表明，如果 則不發(fā)生頻混現(xiàn)象，因此對采樣脈沖序列的間隔 須加以限制，即采樣頻率 或 必須大于或等于信號 中的最高頻率 的兩倍，即 ，或 ，此稱為采樣定理。q 又因為時域采樣間隔 決定于 ，所以又稱為時域采樣定理。q 這一定理可作如下物理解釋：一個頻譜受限的信號 ，如果頻譜只占據(jù) 范圍， ms2sT)/2(ssT)/1 (ssTf)(txmms2msff2sTsf)(txmm.2

12、13.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 則信號可以用等間隔采樣值來惟一地表示，而采樣間隔必須不大于 ，或者說最低采樣頻率為 。 q 也可以這樣去理解：一個頻帶有限信號，其頻率大小，反映在時域內(nèi)，就是它的波形變化速度，即它的最高變化速度將受最高頻率分量 的限制。因此，為了保留這一頻率分量的全部信息，一個周期的間隔內(nèi)，至少采樣兩次，即必須滿足 。 q 在工程上某些特定的場合，需要對帶通信號 )2/(1mfmf2mms2.223.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 進行采樣。帶通信號的采樣遵守采樣定理的擴充形式，即若輸人模擬信號的頻率成分完全落在某個區(qū)域中，而這個頻率區(qū)域的寬度不超過采樣頻率的一半，可以由采樣后的數(shù)據(jù)重建

13、輸人信號。通常稱此擴充定理為帶通信號采樣定理，而稱非擴充的采樣定理為低通信號采樣定理。 q 當(dāng)需數(shù)字化的模擬輸人信號帶寬超過了采樣頻率的一半，這時的采樣稱為欠采樣(Under-Sampling）或超奈奎斯特（Super-Nyquist）.233.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 采樣。與此相應(yīng)，我們將采樣頻率高于兩倍奈奎斯特頻率（ ）的采樣，稱為過采樣（Over Sampling）。不論欠采樣或是過采樣，在實際工程中，均已得到了廣泛的應(yīng)用。p 3信號復(fù)原（理想內(nèi)插法） q 為了從采樣信號頻譜 中無失真地選出p ，還須采用頻域矩形窗函數(shù) 與p 相乘，即 mf2)(sX)(X)(H)(sX)()()(HXX

14、s.243.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 實現(xiàn)這一過程的方法，就是將采樣信號 通過理想低通濾波器，此濾波器的傳輸函數(shù)為 ，這樣在濾波器的輸出端可以得到頻譜為 的連續(xù)信號 。 )(X)(H)(txs)(tx信號復(fù)原ommXs()(a)tTsTsoxs(t)H()h(t)Tsc/ot(b)omm1ommoTst(c)( )x t( )X.253.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 已知理想濾波器的傳輸函數(shù) p 根據(jù)傅里葉變換的時域、頻域?qū)ΨQ特性，有p 根據(jù)時域卷積定理，復(fù)原信號 可表示為p 所以有 )(0)(1)(ccH)(sin)()(1tcHFthcc)( tx)()()( thtxtxsnscscnccssn

15、TtcnTxtcnTtnTxtx)(sin)()(sin)()()( .263.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 若取 ，而且 ，則 q 上式表明，連續(xù)信號可以展成正交采樣函數(shù)（ 型函數(shù)）的無窮級數(shù)，級數(shù)的系數(shù)等于采樣值 。也就是說，若在采樣信號 的每個采樣值上畫一個峰值為 p 的 型函數(shù)波形，則合成的波形就是 。而 波形就是理想濾波器的脈沖響應(yīng)。 ms2mcnmsmnsmsmntcnTxnTtcnTxtx)(sin)()(sin)()( )(sintc)(snTx)(txs)(snTx)(sintc)( tx)(sintc.273.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 所以，若 通過理想低通濾波器時，每個采樣值產(chǎn)生

16、一個脈沖響應(yīng)，這些響應(yīng)進行疊加就得到 ， 是對原始信號 的逼近，由此達到由采樣信號 恢復(fù)原始信號p 的目的。q 需要進一步闡明的是， 型函數(shù)曾被稱為內(nèi)插函數(shù)。在這里，所謂內(nèi)插，就是從已知離散點的值，求在離散點之間另外一些點處的值時，在數(shù)學(xué)上所采用的一種插值的方法。 )(txs)( tx)( tx)(tx)(txs)(tx)(sintc.283.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 從理論上講，對不在取樣時刻任意點的數(shù)值應(yīng)該是無限加權(quán)樣值的總和，但由于這里的內(nèi)插函數(shù)是衰減的，因此，實際上可以由該點附近的一組有限值之和而得到良好的逼近。q 上述運用濾波器由采樣信號恢復(fù)原信號的方法，又稱為惠特克（E.T.Whit

17、taker）波形重構(gòu)法或理想內(nèi)插法。q 從上述信號復(fù)原過程可以看出， ， 時，各個采樣沖激響應(yīng)零點，恰好落在采樣 ms2mc.293.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 時刻上。就采樣點的數(shù)值而言，在這種情況下，各個沖激響應(yīng)互相不產(chǎn)生“串?dāng)_”。通常把最低允許的采樣頻率 ，或 稱為奈奎斯特（Nyquist）頻率，把最大允許的采樣間隔 或 稱為奈奎斯特采樣間隔。 p 4頻域采樣定理 q 根據(jù)時域與頻域的對稱性，可由時域采樣定理推論出頻域采樣定理。q 如果信號 是時域有限信號，并集中在ms2msff2msT/)2/(1msfT )(tx.303.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 的時間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于 的頻率間

18、隔對頻譜 進行采樣，則采樣后的頻譜 可以惟一地表示原信號。類似于時域采樣，有p q 此式表明，在頻域中對 進行采樣，等效于 在時域中重復(fù)，只要采樣間隔不大于p ，則在時域中波形不會產(chǎn)生混疊，用mmtt)2/(1mt)(X)(1XnsmscnTtcnTxtx)(sin)()(1nmmttctnXtX2sin)(1)(X)(tx)2/(1mt.313.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 矩形脈沖作選通信號就可以無失真地恢復(fù)原信號 ，即應(yīng)滿足關(guān)系式 ，此稱為頻域采樣定理。q 需要說明的是，頻域采樣以后，只能獲得采樣點的頻率成分，其余的頻率成分一概被舍去，這猶如透過柵欄觀賞光景，只能看到一部分，就可能使一部分有用

19、的頻率成分被漏掉，而丟掉了部分有用信息，此種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)。 )(tx)2/(10mtf .323.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)3.1.4 采樣方式 p 1采樣方式 q 在A/D轉(zhuǎn)換當(dāng)中，有兩種基本的數(shù)字化采樣方式：q 實時采樣與等效時間采樣。q 對于實時采樣，當(dāng)數(shù)字化一開始，信號波形的第一個采樣點就被采入并數(shù)字化，然后經(jīng)過一個采樣間隔，再采入第二個樣本。這樣一直將整個信號波形數(shù)字化后存入波形存儲器。.333.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 實時采樣的主要優(yōu)點在于信號波形一到就采入，因此適用于任何形式的信號波形，重復(fù)的或不重復(fù)的，單次的或連續(xù)的。又由于所有采樣點是以時間為順序，因而易于實現(xiàn)波形顯示功能。 實

20、時采樣實時顯示單次波形.343.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 實時采樣的主要缺點是時間分辨率較差。每個采樣點的采入、量化、存儲，必須在小于采樣間隔的時間內(nèi)全部完成。若對信號的時間分辨率要求很高，比如采樣間隔要求只有幾百ns或幾十ns時，那么每個采樣點的數(shù)字化過程就可能來不及做了。q 實時采樣除了通常使用的定時采樣（即等間隔采樣）外，還常常使用變步長采樣，即等點采樣。這種采樣方法不論被測信號頻率為多少，一個信號周期內(nèi)均勻采樣的點數(shù)總為.353.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p N個。由于采樣信號周期隨被測信號周期變化，故通常稱為變步長采樣。變步長采樣既能滿足系統(tǒng)精度的要求，又能合理地使用系統(tǒng)內(nèi)存單元，還能使增強

21、系統(tǒng)功能所要求的數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計大為簡化。q 實時采樣的特例為掃描轉(zhuǎn)換技術(shù)，又稱為閃光轉(zhuǎn)換。掃描轉(zhuǎn)換以快速采樣的辦法（例如使用CCD器件）收集信號波形，然后用一段時間成批地處理所有樣本的轉(zhuǎn)換。顯然，這不是一種連續(xù)進行的數(shù)字化技術(shù)。 .363.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 等效時間采樣技術(shù)可以實現(xiàn)很高的數(shù)字化轉(zhuǎn)換速率。然而，這種技術(shù)要求信號波形是可以重復(fù)產(chǎn)生的。由于波形可以重復(fù)取得，故采樣可以用較慢速度進行。采集的樣本可以把許多采集的樣本合成一個采樣密度較高的波形。一般也常將等效時間采樣稱為變換采樣。 等效時間采樣等效時間顯示重復(fù)波形.373.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)q 下面我們來討論一個靜止圖像幀數(shù)據(jù)

22、（采用30幀/s標(biāo)準(zhǔn)）的采樣方案。q 假定一幅畫面的帶寬是6MHz，采用實時采樣方式，根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)為12MHz。如果采用等效時間采樣方式，可以采用100kHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每隔120個像素采樣一次，幀間采樣率稍低于100kHz保證挪后一個像素。則對第1幀采樣的結(jié)果1，121，241，像素的數(shù)據(jù)，第2幀則是2，122，242，像素的數(shù)據(jù)。這樣持續(xù)4s，采.383.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 集120幀數(shù)據(jù)，從而得到400K字的整個圖像幀數(shù)據(jù)。顯然，在這個過程中我們利用了畫面靜止的特性，也即利用了信號的重復(fù)性。在這個例子中，也使用了前面提到的欠采樣概念。p 2采樣方式選擇 q 當(dāng)被測信號有

23、效持續(xù)時間很短時，產(chǎn)生高重復(fù)頻率的采樣脈沖將很困難，因而采用實時采樣方式也有困難。q 但如果被測信號是周期或重復(fù)信號，則可以 .393.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 考慮采用變換采樣（即等效時間采樣）。 q 從頻域上說，一個系統(tǒng)的關(guān)健性能是其頻帶寬度，對一臺數(shù)字化示波器，儀器的帶寬將直接影響幅度與時間測量的準(zhǔn)確度。q 通常帶寬定義為顯示波形衰減3dB的頻率，這種定義將有大約30%幅度誤差。為了避免這項誤差，系統(tǒng)帶寬必須超過輸人信號帶寬。至于超過多少為宜，這取決于要求的測量準(zhǔn)確度。q 對于示波器這類系統(tǒng)，常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)帶.403.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 寬最好等于有用信號最高頻率分量的3倍至4倍。

24、q 一個常見的錯誤是認為采樣系統(tǒng)（例如數(shù)字化示波器）帶寬是其采樣頻率的直接函數(shù)。這個概念僅僅對于單脈沖輸人信號是對的。對于重復(fù)輸人信號，由于采樣系統(tǒng)可以使用隨機變換采樣或時序變換采樣，將采樣系統(tǒng)帶寬與采樣頻率直接聯(lián)系是不妥當(dāng)?shù)摹 在數(shù)字式示波器中，ADC必須對輸人信號重復(fù)采樣，以便“填滿”數(shù)字存儲器中的整個.413.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)p 波形。因此，等效時間采樣需要重復(fù)的輸人信號。但是，數(shù)字化的波形采樣密度（最小采樣間隔）和實際使用的采樣頻率無關(guān)。q 例如HP公司的500MHz示波器54503A使用了隨機重復(fù)采樣技術(shù)（隨機變換采樣），它能對輸人信號波形進行高密度采樣，其采樣間隔可能接近20

25、ps，而實際使用的采樣率僅具有50ns的最小周期，相當(dāng)于20Mb/s。q 處理單脈沖式的輸人波形時，被數(shù)字化的波形細微程度直接取決于儀器的最大采樣率。.42 那么采樣率與系統(tǒng)帶寬又有什么關(guān)系呢？采樣定理已經(jīng)明確指出奈奎斯特頻率的定義，它是最小采樣頻率的二分之一。q 任何模擬系統(tǒng)（數(shù)字化示波器由其信號輸人與輸出特性來看，也是模擬系統(tǒng)）都有頻率偏離特性，它近似是高斯偏離的。q 如果一個系統(tǒng)輸人放大器被限帶于奈奎斯特頻率，那么超過奈奎斯特頻率的大量頻率分量仍將被采樣，進入系統(tǒng)引起混疊。q 也即此時不能保證采樣定理的先決條件，這3.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ).433.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ) 就是在被采樣波形中

26、沒有任何頻率分量超過奈奎斯特頻率。q 有些公司在數(shù)字式示波器研制中，傾向于用系統(tǒng)帶寬把輸人信號限制到采樣頻率的四分之一，即奈奎斯特頻率的二分之一。3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) q 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如下圖所示。來自傳感器的輸人模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，模擬多路開關(guān)（MUX），測量放大器（IA），采樣保持放大器（SHA），進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 .44典型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CPU存儲數(shù)字信號ADCSHAIAMUX輸入調(diào)理輸入模擬信號傳感器接收器輸出調(diào)理DAC數(shù)字信號輸出模擬信號外部世界數(shù)據(jù)緩沖總線.45p 轉(zhuǎn)換為計算機可以接受的數(shù)字信號。計算機輸出的數(shù)字信號

27、通過數(shù)據(jù)緩沖，進入數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)輸出信號調(diào)理電路送往接收器。q 在自動測試、過程控制或科學(xué)實驗等許多應(yīng)用場合，只要接收外部傳感器的輸出、測量帶有高電壓的觸點狀態(tài)，或者輸出給閾值定位執(zhí)行器等情況，均需要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用信號調(diào)理電路。q 信號調(diào)理的目的是完成緩沖、放大、衰減、3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).46p 濾波、隔離和線性化傳感器信號等操作。具有貝塞爾(Bessel)或巴特沃思(Butterworth)特性的濾波器，可以保證系統(tǒng)輸人信號的帶限要求，也可以使調(diào)理器處理動態(tài)信號的能力增強。q 具有隔離功能的調(diào)理器可以使系統(tǒng)免受高電壓的危害，對毫伏級的輸人信號還提供噪聲

28、抑制能力。大多數(shù)信號調(diào)理器對模擬信號采用磁隔離，對數(shù)字信號采用光隔離。q 廣義地說，人們常將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC之3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).47p 前，DAC之后的電路，統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。q 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，已廣泛使用著各種類型的模擬多路開關(guān)（MUX），使來自多個傳感器的信號可以分時復(fù)用同一套硬件電路（IA，SHA與ADC）。q MUX的基本配置方式是單端式。此種方式應(yīng)用在所有輸人傳感器信號相對于系統(tǒng)模擬公共地測量上，而且信號電平顯著大于出現(xiàn)在系統(tǒng)中的共模電壓VCM。此時測量放大3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).48 模擬多路開關(guān)的配置3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(a) 單端輸入配置(b) 偽差

29、動輸入配置(c) 差動輸入配置.49p 器的共模抑制能力基本未發(fā)揮，但系統(tǒng)可以得到最大的通道數(shù)。q MUX的偽差動配置，可保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無需減少一半通道數(shù)。這種方式僅適用于所有輸人信號均參考一個公共電位的系統(tǒng)，而且各信號源均置于同樣的噪聲環(huán)境。q MUX的差動配置，應(yīng)用在 個輸人信號有各自獨立的參考電位，或者是應(yīng)用在信號長線傳輸引起嚴(yán)重的共模干擾時。這種配置可以n3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).50p 充分發(fā)揮測量放大器共模抑制的能力，用以采集低電平信號，但通道數(shù)只有單端式的一半。q 測量放大器的建立時間隨其增益的增加而上升。當(dāng)放大器增益高于200時，可能達到誤差范圍0.01%，往往要

30、求 以內(nèi)的建立時間。q 工程上經(jīng)常采用的一種方案是，放大器增益范圍選擇由1到8，這樣可能用較少時間，比如 時間建立到0.01%以內(nèi)的誤差范圍。ss10050s1003.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).51q 由于放大器增益帶寬乘積通常為一常數(shù)，我們也可以由放大器帶寬出發(fā)來考慮問題。對一個14位系統(tǒng)，若希望放大器的輸出建立在離最終值0.5LSB以內(nèi)，所需建立時間約9.7倍時間常數(shù)。對于帶寬為5kHz的單級放大器，建立時間為 ，即0.31ms。如果考慮噪聲影響，則應(yīng)限制放大器帶寬。q 若放大器建立時間允許為10ms，則其時間常數(shù)約為1.03ms，放大器相應(yīng)閉環(huán)帶寬為154Hz。 s327 . 93.2 典

31、型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).52q 在進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計時，必須首先決定在ADC前是否需要使用1個SHA？這通常由3個互相緊密聯(lián)系的方面來決定：p . 采用何種類型的ADC；p . 需要數(shù)字化的輸人信號頻率；p . 系統(tǒng)要求的精度指標(biāo)。q 當(dāng)輸人模擬信號變化相當(dāng)緩慢時，一般可以不用SHA。工程上用下式作為是否采用SHA的依據(jù)，即 NFSBCONVVT23.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).53q 式中， 為輸人模擬信號最大變化速度，p 為ADC轉(zhuǎn)換時間， 為ADC滿量程輸人電壓，N為ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)。q 也即當(dāng)在 內(nèi)輸人信號電壓最大變化幅度小于1個LSB時，可以考慮不采用SHA。當(dāng)系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換精度有更高要求時，顯然

32、應(yīng)另作考慮。3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求3.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)q 評價一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有： CONVTFSRVCONVT3.2 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).54q 評價一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：u 系統(tǒng)通過速率；u 系統(tǒng)精度；u 系統(tǒng)分辨率；u 系統(tǒng)線性誤差；u 系統(tǒng)共模抑制比；u 系統(tǒng)通道串?dāng)_抑制比；u 系統(tǒng)短期穩(wěn)定度。q 此外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還有一些很重要的指標(biāo)，例如系統(tǒng)控制方式，系統(tǒng)總數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)功耗要求，系統(tǒng)自動增益調(diào)節(jié)方式等。 3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求.553.3.2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) q 對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，在諸多

33、技術(shù)指標(biāo)中，最為重要的是u系統(tǒng)的分辨率u精度u通過率p 其中，系統(tǒng)通過率是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一項技術(shù)指標(biāo)。3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求.56p 1系統(tǒng)分辨率 q 系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸人信號的最小變化量。通常用最低有效位值(LSB)、系統(tǒng)滿度信號的百分?jǐn)?shù)(%FSR)或系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值等來表示，有時也習(xí)慣用滿度信號可以分的級數(shù)來表示。q 下表列出了滿度值為10V時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。 3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求.573.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求.58p 2系統(tǒng)精度 q 系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作于額定通過速率下，每個離散的采樣樣本的轉(zhuǎn)

34、換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是一個系統(tǒng)精度的極限值，對一個8位分辨率的系統(tǒng)，采用一個8位的ADC，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的MUX以及SHA的精度均應(yīng)明顯優(yōu)于選用的ADC器件，系統(tǒng)精度才能保證。p 3系統(tǒng)通過速率q 系統(tǒng)通過速率通常又稱為系統(tǒng)速度、傳輸速3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求.59p 率、采集速率以及吞吐率等。q 系統(tǒng)通過速率是指每個通道每秒鐘可采集、處理的樣本數(shù)。q 對于一個包括模擬量輸人及模擬量輸出的采集系統(tǒng)，通過速率系指系統(tǒng)每個通道每秒鐘可采集、處理與輸出的樣本數(shù)。q 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC構(gòu)成，由傳感器來的輸人信號直接聯(lián)至ADC輸人端，系統(tǒng)通過速率將主要由ADC的轉(zhuǎn)換時間 決定

35、。 3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求CONVT.603.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 3.4.1 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成q 早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全是由分立元件拼湊起來的，結(jié)構(gòu)龐大，可靠性差，無數(shù)據(jù)處理能力，精度低，而且?guī)缀醵际菍Ｓ孟到y(tǒng)。q 目前計算機已滲入到各個領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的面貌也隨之煥然一新，而且對數(shù)據(jù)具有計算、分析和判斷的能力，因此又稱為自動數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能測試系統(tǒng)。q 這種系統(tǒng)是由包括微型計算機在內(nèi)的一些模塊組成，其基本結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。 第3章 數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù).613.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 典型的數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)繪圖儀打印機顯示終端計算機測控接口數(shù)字信號輸入D/A模

36、擬信號輸出多路切換開關(guān)A/DS/H信號調(diào)節(jié)與處理信號調(diào)節(jié)與處理信號調(diào)節(jié)與處理傳感器1傳感器2傳感器n.62q 圖中被測信號由傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號（最終是電壓），這是任何非電檢測必不可少的一環(huán)節(jié)。不同信號其傳感器是不同的，例如，若第1路被測信號是溫度，其傳感器可以是熱電偶；第2路是力，傳感器可以是應(yīng)變片，等等。q 傳感器輸出的信號不能直接送到輸出設(shè)備進行顯示或記錄，需要進一步處理。信號的處理由兩部分完成，即模擬信號處理和數(shù)字信號處理。后者都由計算機承擔(dān)，其中A/D轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).63q 帶計算機的測試系統(tǒng)的性能是很高的，其優(yōu)點如下：p (1) 使測試自動化 q 由

37、于計算機有信號存儲、判斷和處理能力，所以能控制開關(guān)通斷、量程自動切換、系統(tǒng)自動校準(zhǔn)、自動診斷故障、結(jié)果自動輸出。 p (2) 提高測試精度 q 引入計算機后，系統(tǒng)可以進行數(shù)字濾波，對器件的非線性進行校正；系統(tǒng)可以進行自動校準(zhǔn)以消除誤差，多次重復(fù)測量可削弱隨機誤差。從而可提高測試精度。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).64p (3) 通過數(shù)據(jù)變換實現(xiàn)多功能 q 測出頻率后，通過倒數(shù)變換( )可得周期；測正弦波峰值可求得有效值( )；時域數(shù)據(jù)通過快速傅里葉變換可得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)；可求得信號的最大值、最小值、平均值。 p (4) 降低了測試系統(tǒng)成本 q 由于軟件有替代硬件的功能，各種運算器、比較器、濾

38、波器、線性化器、定時器等都可由計算機承擔(dān)，省去一大批硬件，從而降低了系統(tǒng)的成本。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)fT/12/mVV .65p (5) 提高了系統(tǒng)的可靠性 3.4.2 主要功能電路 p 1測量放大器 q 待測物理量的變化經(jīng)傳感器變換為相應(yīng)電參數(shù)的變化，還需要經(jīng)過信號調(diào)節(jié)，方能滿足計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。q 信號調(diào)節(jié)是傳感器與后續(xù)模擬電路的接口。它的功能是將傳感器輸出原始的受到多種噪聲源干擾的低電平信號加以放大、處理、抑制噪聲，統(tǒng)一格式，使之成為標(biāo)準(zhǔn)的電流(4mA20mA)或電壓(0V10V)信號。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).66q 測量放大器是信號采集與調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸人端的第一個電子

39、部件。其主要用途是對測量信號進行精密電壓放大，抑制共模干擾，提高信噪比。對于測量放大器的要求是： u高輸人阻抗，例如 ；u低偏流，例如10-15A；u高共模抑制比，例如106；u對稱差分輸人；u特別穩(wěn)定；u單端輸出；u可由用戶選擇電阻的不同接法確定增益。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14121010.67q 測量放大器的功能原理如下圖所示。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本測量放大器功能原理圖直 流 電 源失 調(diào) 調(diào) 整V0=VINf(RG)或V0=VINf(RG,RS)采 樣(VS)參 考 (VR)負 載測 量 放 大 器V0電 源 地(負 載 回 線 )RSRG噪 聲增 益 外 接設(shè) 定 電

40、阻RSRSRGVIN+IN信 號 源誤 差 電 壓或 地 壓 降.68q 最常見的測量放大器是下圖所示的三運放式。放大器A1和A2構(gòu)成差分輸人輸出的增益級，A3是減法器，將差分輸人變?yōu)閱味溯敵?，這種電路結(jié)構(gòu)具有很高的輸人阻抗，源阻抗不平衡達 也不會導(dǎo)致CMRR下降。有單片及混合集成不同封裝形式，電阻相對誤差為0.1%或更高；輸人阻抗 ；差模電壓增益（AVD）103，可用一個電阻設(shè)定；在AVD等于或大于100時，CMRR達105。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)k1910.69q 三運放測量放大器如下圖所示。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三運放測量放大器RRR0A1A3RRA2R0R1+VCMVdiffS12RS12R.70q 在三運放的基礎(chǔ)上，增加前級，增設(shè)輸人級共模信號檢測。反饋到前放電流源，如右圖所示，當(dāng)AVD為103時，CMRR可達106。這種測量放大器一般是模塊式或混合集成封裝，因為生產(chǎn)時需要修整內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)。 3.4 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高性能測量放大器RRR0R2R2RRV0R0VCMVdiffR1+前 放防 護 驅(qū) 動S12RS12R.71p 2模擬多路開關(guān)q 模擬多路開關(guān)是一種具有共輸出端的開關(guān)陣列，用于從多路模擬輸人中選擇一路輸出。輸出信號在小誤差范圍內(nèi)跟隨選定的輸人信號。通過多路開關(guān)，就可以利用一個高性能A/D系統(tǒng)來測量上