張樹(shù)文油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)自動(dòng)化-第一章2節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ppt課件

1、 微型計(jì)算機(jī)廣泛運(yùn)用于丈量和控制，構(gòu)成了各種各樣的通用或公用微機(jī)測(cè)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)字處置和數(shù)字控制的仿真世界銜接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的功能。 普通來(lái)說(shuō)，在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：模擬信號(hào)的輸入輸出和數(shù)字信號(hào)的輸入輸出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入稱(chēng)為數(shù)據(jù)搜集，輸出稱(chēng)之為數(shù)據(jù)分配。 數(shù)據(jù)搜集是未來(lái)自各種各樣傳感器的模擬量實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地丈量或聚集起來(lái)，送到后續(xù)的計(jì)算機(jī)進(jìn)展實(shí)時(shí)處置，并輸出以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的控制，或記錄存儲(chǔ)起來(lái)以供事后的分析之用。圖 2.1.1是數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)的普通組成框圖。 數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)分配是數(shù)據(jù)搜集的逆向轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)化的反響控制系統(tǒng)

2、中數(shù)據(jù)搜集作為系統(tǒng)的輸入，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)輸出控制功能來(lái)閉合過(guò)程控制回路。 由于計(jì)算機(jī)的控制輸出是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因此必需轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以驅(qū)動(dòng)過(guò)程。 轉(zhuǎn)換采用D/A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器是經(jīng)過(guò)緩沖鎖存器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線相銜接，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(lái)完成。 圖3.1.2 數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)閥門(mén) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根本問(wèn)題如下： 輸入輸出通道的分辨率及精度； 輸入輸出通道數(shù)及多通道的構(gòu)造配置； 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(hào)的調(diào)理； 輸出負(fù)載特性及驅(qū)動(dòng)問(wèn)題； 與微機(jī)接口時(shí)尋址和控制方式； 本錢(qián)要素。建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式有兩種：其一，選用規(guī)

3、范集成電路自行設(shè)計(jì)所需求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是芯片級(jí)設(shè)計(jì)。其二，選用通用模塊板，經(jīng)過(guò)規(guī)范總線的銜接構(gòu)成所要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是板級(jí)設(shè)計(jì)，也稱(chēng)之為系統(tǒng)集成。 前者經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)設(shè)計(jì)者要求高，且周期長(zhǎng)；后者可擴(kuò)展性好，周期短，但本錢(qián)遠(yuǎn)高于前者，對(duì)特殊要求的運(yùn)用不能完全適用。 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)，既具有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能，又具有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的功能。 可以說(shuō)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換并進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換于一體的混合系統(tǒng)。 A/D-模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程是采樣過(guò)程與量化過(guò)程的結(jié)合，采樣的本質(zhì)是將延續(xù)信號(hào)離散化，量化的過(guò)程是將已離

4、散的信號(hào)進(jìn)展編碼變換成數(shù)字碼的過(guò)程。 D/A-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程是將已采樣信號(hào)恢復(fù)的過(guò)程。 采樣采樣利用采樣脈沖序列，從信號(hào)中抽取一系列離散利用采樣脈沖序列，從信號(hào)中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號(hào)值，使之成為采樣信號(hào)x(nTs)的過(guò)程。的過(guò)程。 Ts稱(chēng)為采樣間隔，或采樣周期，稱(chēng)為采樣間隔，或采樣周期，1/Ts = fs 稱(chēng)為采樣頻率。稱(chēng)為采樣頻率。 由于后續(xù)的量化過(guò)程需求一定的時(shí)間由于后續(xù)的量化過(guò)程需求一定的時(shí)間，對(duì)于隨時(shí)間變化的，對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬輸入信號(hào)，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間模擬輸入信號(hào)，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間內(nèi)堅(jiān)持不變，這樣內(nèi)堅(jiān)持不變，這樣才干保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這

5、個(gè)過(guò)程就是采樣堅(jiān)持。才干保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)過(guò)程就是采樣堅(jiān)持。正是有了采樣堅(jiān)持，實(shí)踐上采樣后的信號(hào)是階梯形的延續(xù)函正是有了采樣堅(jiān)持，實(shí)踐上采樣后的信號(hào)是階梯形的延續(xù)函數(shù)。數(shù)。 1、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 模擬信號(hào)0,1,2,3,2,1,采樣量化數(shù)字信號(hào)2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)012345678012345編碼編碼將離散幅值經(jīng)將離散幅值經(jīng) 過(guò)量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過(guò)程過(guò)量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過(guò)程4位位A/D: XXXXX(1) 0101X(2) 0011X(3) 0000量化量化把采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)舍入或截尾的方法變?yōu)橹恍栌邪巡蓸有盘?hào)經(jīng)過(guò)舍入或截尾的方法變?yōu)橹恍栌邢迋€(gè)有

6、效數(shù)字的數(shù)，稱(chēng)為量化。限個(gè)有效數(shù)字的數(shù)，稱(chēng)為量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0 x(4)=0 x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信號(hào)的六等份量化過(guò)程信號(hào)的六等份量化過(guò)程2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)2) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的 (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

7、)； 10us(100kHz) (3) 模擬信號(hào)的輸入范圍模擬信號(hào)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)2) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的 (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(lái)描畫(huà)轉(zhuǎn)換器中采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描畫(huà)轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。 a) 分辨率用來(lái)闡明分辨率用來(lái)闡明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨才干，有分辨才干，有n位輸出的位輸出的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(jí)，因此分辨率同等級(jí)，因此分辨率=VImax/2n，式中，式中，VImax是輸入模

8、擬信號(hào)的最大值。是輸入模擬信號(hào)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方式給出，它表示實(shí)踐輸出數(shù)字量和實(shí)際最大值方式給出，它表示實(shí)踐輸出數(shù)字量和實(shí)際上應(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)2、D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程和原理轉(zhuǎn)換過(guò)程和原理 D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)的安轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)的安裝。裝。 D/A轉(zhuǎn)換器普通先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器普通先經(jīng)過(guò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)型電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖信號(hào)，然后

9、經(jīng)過(guò)零階堅(jiān)持電路將其轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)零階堅(jiān)持電路將其轉(zhuǎn)換為階梯狀的延續(xù)電信號(hào)。只需采樣間隔足夠密，就換為階梯狀的延續(xù)電信號(hào)。只需采樣間隔足夠密，就可以準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)原信號(hào)。為減小零階堅(jiān)持電路帶來(lái)的可以準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)原信號(hào)。為減小零階堅(jiān)持電路帶來(lái)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) D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的 (1) 分辨率分辨率 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(lái)表示。位數(shù)越多，那么分辨力也就越高。常位數(shù)來(lái)表示。位數(shù)越多，那么分辨

10、力也就越高。常用的有用的有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) D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的 (2) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度定義為實(shí)踐輸出與期望輸出之比。轉(zhuǎn)換精度定義為實(shí)踐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。實(shí)以全程的百分比或最大輸出電壓的百分比表示。實(shí)際上際上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

11、0.1%，它的精度，它的精度為為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，那，那么它的最大輸出誤差為么它的最大輸出誤差為10V0.0005=5mV。 2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A) D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的轉(zhuǎn)換器的技術(shù)目的 (3) 轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次D/A轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速度就越低。2.2.1 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A)A/D、D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程中的量化誤差實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)換過(guò)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)一、信號(hào)采樣一、信號(hào)采樣 采樣是將采樣脈沖序列采樣是將采樣脈沖

12、序列p(t)與信號(hào)與信號(hào)x(t)相乘，取離散相乘，取離散點(diǎn)點(diǎn)x(nt)值的過(guò)程。值的過(guò)程。p(t)x(t)x(nt)2.2.2 采樣定理采樣定理)(X)(tx)(tp)(txs)(Pt)(sXmmsTsTstssT1sTsTsts000000 一個(gè)延續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)延續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)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 ,反復(fù)出現(xiàn)反復(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)，所加權(quán)，其頻譜外形不變。其頻譜外形不變。 一、信號(hào)采樣

13、一、信號(hào)采樣2.2.2 采樣定理采樣定理 1 頻混景象頻混景象 a采樣頻率等于信號(hào)頻率，正弦信號(hào)離散后得到直流信號(hào)采樣頻率等于信號(hào)頻率，正弦信號(hào)離散后得到直流信號(hào)b采樣頻率等于信號(hào)頻率的采樣頻率等于信號(hào)頻率的2倍，正弦信號(hào)離散后得到三角波信號(hào)倍，正弦信號(hào)離散后得到三角波信號(hào)c采樣頻率小于信號(hào)頻率的采樣頻率小于信號(hào)頻率的2倍，正弦信號(hào)離散后得到更低頻倍，正弦信號(hào)離散后得到更低頻率的正弦信號(hào)率的正弦信號(hào)2.2.2 采樣定理采樣定理 當(dāng)采樣信號(hào)的頻率低于被采樣信號(hào)的最高頻率時(shí)，當(dāng)采樣信號(hào)的頻率低于被采樣信號(hào)的最高頻率時(shí)，采樣所得的信號(hào)中混入了虛偽的低頻分量，這種景采樣所得的信號(hào)中混入了虛偽的低頻分量

14、，這種景象叫做頻率混疊。象叫做頻率混疊。l 采樣頻率適宜的情況下復(fù)原信號(hào)；采樣頻率適宜的情況下復(fù)原信號(hào)；l 采樣頻率過(guò)低的情況下，復(fù)原的是一個(gè)虛偽的采樣頻率過(guò)低的情況下，復(fù)原的是一個(gè)虛偽的低頻信號(hào)。低頻信號(hào)。 1 頻混景象頻混景象 2.2.2 采樣定理采樣定理 頻混景象又稱(chēng)頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號(hào)頻譜發(fā)生頻混景象又稱(chēng)頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種景象。變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種景象。 1 頻混景象頻混景象 2.2.2 采樣定理采樣定理 1 頻混景象頻混景象 l信號(hào)信號(hào)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

15、范圍為l -mm；l當(dāng)采樣周期當(dāng)采樣周期Ts較小時(shí)，較小時(shí)，s2m，周期譜圖相互分，周期譜圖相互分別如圖中別如圖中(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，周期譜圖相互重疊，即譜圖中高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖中圖中高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖中(c)所示，此即所示，此即頻混景象，這將使信號(hào)復(fù)原時(shí)喪失原始信號(hào)中的高頻頻混景象，這將使信號(hào)復(fù)原時(shí)喪失原始信號(hào)中的高頻信息。信息。2.2.2 采樣定理采樣定理2 采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保管原始模擬信號(hào)信為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保管原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必需至少為原信號(hào)中最高頻率成分息，信號(hào)采

16、樣頻率必需至少為原信號(hào)中最高頻率成分的的2倍。這是采樣的根本法那么，稱(chēng)為采樣定理，亦倍。這是采樣的根本法那么，稱(chēng)為采樣定理，亦稱(chēng)仙農(nóng)定理。稱(chēng)仙農(nóng)定理。fs 2 fmax 2.2.2 采樣定理采樣定理 留意：滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而留意：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(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)不能保證采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)x(t)。工程實(shí)。工程實(shí)踐中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻率成分的踐中采樣頻率通常大于信號(hào)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A/D采樣前的抗混迭濾波：采樣前的抗混迭濾波：物理信號(hào)物理信號(hào)對(duì)象對(duì)象傳傳感感器

17、器電信號(hào)電信號(hào)放放大大調(diào)調(diào)制制電信號(hào)電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)展開(kāi)展開(kāi)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 為便于數(shù)學(xué)處置，對(duì)截?cái)嘈盘?hào)做周期延拓，得到為便于數(shù)學(xué)處置，對(duì)截?cái)嘈盘?hào)做周期延拓，得到虛擬的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)。虛擬的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)。 用計(jì)算機(jī)進(jìn)展測(cè)試信號(hào)處置時(shí)，不能夠?qū)o(wú)限長(zhǎng)的信用計(jì)算機(jī)進(jìn)展測(cè)試信號(hào)處置時(shí)，不能夠?qū)o(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)展丈量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)展分析，號(hào)進(jìn)展丈量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)展分析，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)信號(hào)截?cái)?。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)信號(hào)截?cái)唷?2.2.2 采樣定理采樣定理 周期延拓后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的，下面從周期

18、延拓后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的，下面從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看這種處置帶來(lái)的誤差情況。數(shù)學(xué)的角度來(lái)看這種處置帶來(lái)的誤差情況。 設(shè)有余弦信號(hào)設(shè)有余弦信號(hào)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?hào)：得到截?cái)嘈盘?hào)：y(t) =x(t)w(t) 將截?cái)嘈盘?hào)譜將截?cái)嘈盘?hào)譜 XT()與原始信號(hào)譜與原始信號(hào)譜X()相比較可相比較可知，它已不是原來(lái)的兩條譜線，而是兩段振蕩的延續(xù)知，它已不是原來(lái)的兩條譜線，而是兩段振蕩的延續(xù)譜譜. 原來(lái)集中在原來(lái)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，這種景象稱(chēng)之為頻譜能量走漏。去了，這種景象稱(chēng)之為頻譜能量走漏。2

19、.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄露周期延拓信?hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的：周期延拓信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的：能量走漏誤差能量走漏誤差2.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄露抑制方法之一：信?hào)整周期截?cái)嘁种品椒ㄖ唬盒盘?hào)整周期截?cái)?.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄?為了減少頻譜能量走漏，可采用不同的截取函數(shù)為了減少頻譜能量走漏，可采用不同的截取函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)展截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱(chēng)為窗函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為窗。對(duì)信號(hào)進(jìn)展截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱(chēng)為窗函數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為窗。走漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，假設(shè)兩側(cè)瓣的高走漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，假設(shè)兩側(cè)瓣的高度趨于零，而使能量相對(duì)集中在主瓣

20、，就可以較為接度趨于零，而使能量相對(duì)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。 抑制方法之二：窗函數(shù)抑制方法之二：窗函數(shù)2.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄?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)窗運(yùn)用三角函數(shù)，即正弦或余運(yùn)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)，例如漢寧窗、海明窗等； (3) (3) 指數(shù)窗指數(shù)窗采用指

21、數(shù)時(shí)間函數(shù)，如采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如e-ste-st方式，方式，例如高斯窗等例如高斯窗等抑制方法之二：窗函數(shù)抑制方法之二：窗函數(shù)2.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)唷⒛芰啃孤?. 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)方式為矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，函數(shù)方式為相應(yīng)的窗譜為：相應(yīng)的窗譜為：矩形窗運(yùn)用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)經(jīng)過(guò)了矩形窗矩形窗運(yùn)用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)經(jīng)過(guò)了矩形窗優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中缺陷：旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高缺陷：旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和走漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜景象

22、。頻干擾和走漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜景象。2.2.3 信號(hào)的截?cái)唷⒛芰啃孤缎盘?hào)的截?cái)?、能量泄?. 三角窗三角窗 TtTtTtTtw0-11 222sinT/T/w三角窗亦稱(chēng)費(fèi)杰三角窗亦稱(chēng)費(fèi)杰(Fejer)(Fejer)窗，是冪窗的一次方方式：窗，是冪窗的一次方方式：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(wú)負(fù)旁瓣。的兩倍，但旁瓣小，而且無(wú)負(fù)旁瓣。2.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄?3. 漢寧漢寧(Hanning)窗窗 TtTtTtTtw0cos21211 2sinsin21sinTTTTTTw漢

23、寧窗又稱(chēng)升余弦窗，其時(shí)域表達(dá)式為：漢寧窗又稱(chēng)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(duì)比，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣那與矩形窗對(duì)比，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣那么顯著減小。漢寧窗的旁瓣衰減速度也較快。比較可么顯著減小。漢寧窗的旁瓣衰減速度也較快。比較可知，從減小走漏觀念出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗。但漢知，從減小走漏觀念出發(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，頻率分辨力下寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。降。2.2.3 信號(hào)的截?cái)?、能量泄露信?hào)的截?cái)?、能量泄?2輸入容量，它是指能接納的模擬信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，即通道數(shù)。 3采樣轉(zhuǎn)換速度，它是指總

24、的模擬輸入通道將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳送至微機(jī)或存儲(chǔ)單元的速度，普通以每秒點(diǎn)數(shù)為標(biāo)志。 4系統(tǒng)總精度，普通為1.00.01%。 5共模抑制比。 系統(tǒng)采樣速度和信號(hào)電平是區(qū)分系統(tǒng)構(gòu)造的主要標(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的意義。模擬信號(hào)輸入通道速度分類(lèi)(點(diǎn)/秒) 類(lèi) 別低電平高電平低 速2001000050000 傳感器輸出的單端或雙端信號(hào)經(jīng)端子板輸入給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)展調(diào)理，調(diào)理的內(nèi)容取決于傳感器的電特性和信號(hào)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(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)到達(dá)數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)的規(guī)范信號(hào)范圍如電壓為0

25、5V，電流為420mA，再輸出給模擬多路選通開(kāi)關(guān)。 在控制器的控制指令控制下。某一通道被選通，便進(jìn)入采樣堅(jiān)持放大器。采樣堅(jiān)持放大器的輸出接A/D轉(zhuǎn)換器，在計(jì)算機(jī)的控制下完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)傳感器輸出高電平信號(hào)時(shí)，輸入端子板只需從機(jī)械方面思索接線端的問(wèn)題。 假設(shè)傳感器輸出低電平信號(hào)時(shí)，輸入端子板不但要從機(jī)械方面思索接線端的問(wèn)題，還必需從電的方面加以思索，特別要留意熱電勢(shì)及共模電壓引起的誤差，且信號(hào)調(diào)理電路必需有足夠的增益，以使低電平信號(hào)滿量程放大到后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程。 2偽同步多通道數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)圖3.3.2 偽同步多通道數(shù)據(jù)搜集 這種系統(tǒng)構(gòu)造的主要特點(diǎn)是每個(gè)通道加了采樣堅(jiān)持

26、放大器，可使各輸入通道的信號(hào)被同時(shí)采樣，消除了分時(shí)采樣帶來(lái)的時(shí)間歪斜誤差。但由于A/D轉(zhuǎn)換器只需一個(gè)，轉(zhuǎn)換過(guò)程仍是分時(shí)進(jìn)展的，在這一過(guò)程中由于各采樣堅(jiān)持放大器在堅(jiān)持時(shí)間內(nèi)的被堅(jiān)持信號(hào)的變化量不同，因此這種方式并不是真正同步的，故稱(chēng)之為偽同步或準(zhǔn)同步。 3同步多通道數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)圖3.3.3 同步多通道數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)構(gòu)造 這是完全與實(shí)踐自然時(shí)間同步的多通道數(shù)據(jù)搜集構(gòu)造。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(duì)應(yīng)。 上述三種構(gòu)造目前均有運(yùn)用，終究采用那一種構(gòu)造，普通根據(jù)被采集信號(hào)的頻率范圍確定，對(duì)于緩變信號(hào)普通采用分時(shí)搜集構(gòu)造，對(duì)于中頻范圍的信號(hào)采用準(zhǔn)同步

27、搜集構(gòu)造，而對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍大的信號(hào)或高頻信號(hào)應(yīng)采用同步構(gòu)造。圖3.3.4 數(shù)字分配分時(shí)轉(zhuǎn)換構(gòu)造 2數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換構(gòu)造圖3.3.5 數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換構(gòu)造 這種構(gòu)造在分時(shí)轉(zhuǎn)換構(gòu)造的根底上增設(shè)了一級(jí)鎖存器，計(jì)算機(jī)將分時(shí)處置后的數(shù)據(jù)分時(shí)鎖存入第一級(jí)鎖存器，待每個(gè)通道的鎖存器均已鎖存終了后，再發(fā)出控制信號(hào)，將第一級(jí)鎖存器中的數(shù)據(jù)同步鎖存入第二級(jí)鎖存器，再由后續(xù)D/A轉(zhuǎn)換器同步轉(zhuǎn)換輸出。 3分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配構(gòu)造圖3.3.6 分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配構(gòu)造 這種構(gòu)造的特點(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)處置的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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)展D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相

28、應(yīng)通道的模擬輸出值，而每個(gè)模擬輸出通道在進(jìn)展D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，計(jì)算機(jī)選通相應(yīng)通道的采樣堅(jiān)持器進(jìn)展跟隨，當(dāng)該通道轉(zhuǎn)換完成并接至下一個(gè)通道進(jìn)展D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，該通道的采樣堅(jiān)持器進(jìn)入堅(jiān)持形狀。 顯然，正在進(jìn)展 D/A轉(zhuǎn)換的通道，采樣堅(jiān)持器是跟隨形狀，而其它通道的采樣堅(jiān)持器都處在堅(jiān)持形狀。這種構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是本錢(qián)低，但是其缺陷是在堅(jiān)持期間模擬輸出值由于采樣堅(jiān)持器的“漏電會(huì)發(fā)生變化，假設(shè)每一輪的輸出周期較長(zhǎng)，這種由于“漏電呵斥的輸出誤差就較大。為保證輸出精度，對(duì)同一數(shù)據(jù)要進(jìn)展“刷新操作，從而加大了軟件的復(fù)雜性。 1 I/O公用編址技術(shù) I/O公用編址是指I/O的地址空間與存儲(chǔ)器的地址空間是相互獨(dú)立的，微處置器

29、設(shè)有專(zhuān)門(mén)的輸入、輸出指令，I/O系統(tǒng)與CPU的數(shù)據(jù)交換是經(jīng)過(guò)輸入輸出指令進(jìn)展的。80X86微處置器系統(tǒng)采用的就是這種編址技術(shù)。 2存儲(chǔ)器一致編址技術(shù) 這種方法不設(shè)專(zhuān)門(mén)的I/O地址空間，而是在存儲(chǔ)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(zhuān)門(mén)的輸入輸出指令，而是運(yùn)用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中存儲(chǔ)器指令對(duì)I/O系統(tǒng)進(jìn)展操作。51系列單片機(jī)采用的就是這種編址技術(shù)。 (a) (b) 圖3.3.7 程序通道I/O傳送構(gòu)造原理 (a) 查詢 (b) 中斷 不論采用哪種編址方法，它們都是在計(jì)算機(jī)的讀/寫(xiě)命令的控制下，進(jìn)展選擇通道號(hào)、啟動(dòng)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

30、統(tǒng)對(duì)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)展數(shù)據(jù)傳輸。因此在模擬I/O子系統(tǒng)中普通都設(shè)有供查詢的形狀標(biāo)志和有關(guān)中斷控制電路。 2直接存儲(chǔ)器存取DMA構(gòu)造 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)展的，CPU發(fā)出地址及讀/寫(xiě)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送信號(hào)。此時(shí)外設(shè)與RAM交換信息必需借助I/O指令和并行或串行I/O通道，經(jīng)過(guò)CPU的累加器與RAM交換信息。 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)普通采用 DMA構(gòu)造，其任務(wù)過(guò)程如下： 首先，CPU根據(jù)一定的要求對(duì)DMA進(jìn)展編程初始

31、化，設(shè)置傳送字節(jié)數(shù)內(nèi)存地址， DMA處于預(yù)備形狀。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)預(yù)備好信號(hào)，送到DMA的READY輸入端。 DMA檢測(cè)到READY信號(hào)有效，便向CPU發(fā)出總線懇求信號(hào)BUSRQ，CPU接到BUSRQ信號(hào)后，向 DMA發(fā)回答B(yǎng)USACK信號(hào)，表示預(yù)備出讓總線控制權(quán)，DMA接到該信號(hào)后，即開(kāi)場(chǎng)實(shí)行總線控制。這時(shí)CPU被掛起來(lái)，一切數(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)展數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)操作。DMA傳送數(shù)據(jù)一終了，便自動(dòng)吊銷(xiāo)向CPU提出的總線懇求信號(hào)， CPU重新控制總線。 3通道表構(gòu)造 圖3.3.8 通道表構(gòu)造框圖 通道表構(gòu)造可以對(duì)各個(gè)模擬輸入通道的采樣率、增益和通道順序用列表的方式預(yù)先選擇，處理了在隨機(jī)增益和通道輸入條件下進(jìn)展高速