第三章 數(shù)據(jù)采集與處理技術

1、第三章第三章信號采集與信號調理技術信號采集與信號調理技術3.5 3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述信號調理傳感器/ 信號數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構數(shù)據(jù)采集硬件可以將PC變?yōu)橐粋€自動化系統(tǒng)部分常用的數(shù)據(jù)采集設備類型部分常用的數(shù)據(jù)采集設備類型 實驗室、工業(yè)環(huán)境使用 基于PCI/PXI接口 往往需要外接端子和線纜 便攜式/遠距離 USB，Ethernet接口 教學實驗與學生練習 如ELVIS 、myDAQ 除了數(shù)據(jù)采集硬件電路之外還集成了其他一些功能，如數(shù)字萬用表、可編程電源等舉例舉例: 基于基于P

2、XI平臺的數(shù)據(jù)采集平臺的數(shù)據(jù)采集PXI控制器及機箱(可大致理解為PC)接線端（前面凸出部分）信號調理與數(shù)據(jù)采集（接線端后面）舉例舉例: 用于教學實驗的用于教學實驗的NI ELVIS 一種集成了12種儀器的教學實驗設備 安裝NI-ELVIS驅動后可通過ELVIS軟面板實現(xiàn)這些功能 同時也可看做是一種基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集設備 用于學習虛擬儀器（尤其是數(shù)據(jù)采集）的相關編程技術USB總線（注意: 不是前面所說的傳輸電纜）接線端+傳輸線纜+數(shù)據(jù)采集設備PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成l 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分

3、又可分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分和數(shù)字部分。 圖圖1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成3.5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構形式的確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構形式的確定常見的數(shù)據(jù)采集形式有以下幾種：常見的數(shù)據(jù)采集形式有以下幾種： 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多通道同步型數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)1.多通道共享采樣/保持器與A/D轉換器多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結構形式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結構形式l 每個通道都有各自獨自的采樣保持器與每個通道都有各自獨自的采樣保持器與A/D轉換器，轉換器，這種結構形式可以對各通道輸入信號這種結構形式可以對各通道輸入信號進行同步、高速進行同步、高速數(shù)據(jù)采

4、集。數(shù)據(jù)采集。多通道多通道A/D轉換轉換 l 各通道有各自獨立的采樣保持器，但公用一個各通道有各自獨立的采樣保持器，但公用一個A/D轉換器。通過多路開關分，對各路信號轉換器。通過多路開關分，對各路信號分時進行分時進行A/D轉換轉換。能夠實現(xiàn)。能夠實現(xiàn)多路信號多路信號的的同步采集同步采集，但采集，但采集速度稍慢。速度稍慢。 單通道共享單通道共享A/D轉換器轉換器 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結構形式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結構形式l 各通道公用一個采樣保持器和各通道公用一個采樣保持器和A/D轉換器。工作時，轉換器。工作時，通過多路開關將各路信號分時切換，輸入到公用的通過多路開關將各路信號分時切換，輸

5、入到公用的采樣保持器中，實現(xiàn)采樣保持器中，實現(xiàn)多路信號的分時采集多路信號的分時采集，而，而非同非同步采集步采集。并且。并且采集速度最慢采集速度最慢。優(yōu)點是。優(yōu)點是節(jié)省硬件成本節(jié)省硬件成本，適于對適于對采集速度要求不高采集速度要求不高的應用場合。的應用場合。多通道共享采樣保持器與多通道共享采樣保持器與A/D轉換器轉換器 3.5.2 系統(tǒng)參數(shù)設計和器件選擇系統(tǒng)參數(shù)設計和器件選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標：l被采集信號的特點l系統(tǒng)響應時間l系統(tǒng)分辨率l系統(tǒng)的精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標1.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系統(tǒng)分辨率：

6、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（最小變化量。通常用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)）占系統(tǒng)滿刻度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際滿刻度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示。有時也用信號滿刻度值可以劃分電壓數(shù)值來表示。有時也用信號滿刻度值可以劃分的級數(shù)來表示。的級數(shù)來表示。 位數(shù)位數(shù)級數(shù)級數(shù)1 LSB（滿度值的百分數(shù)）（滿度值的百分數(shù)） 1 LSB（10V滿度）滿度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.0015%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV241677721

7、60.0000060%0.60 uV表表1.1 系統(tǒng)的分辨率（滿度值為系統(tǒng)的分辨率（滿度值為10 V）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標2.系統(tǒng)精度：當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個離散系統(tǒng)精度：當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個離散子樣的轉換精度。子樣的轉換精度。 模數(shù)轉換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。模數(shù)轉換器的精度是系統(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)的實際輸出值實際輸出值與與理論輸出值理論輸出值之差，它之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分數(shù)。是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分數(shù)。3.采集速率（系統(tǒng)通過速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精采集速

8、率（系統(tǒng)通過速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內所完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘所完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目?？刹杉淖訕訑?shù)目?！安杉杉卑▽Ρ粶y物理量進行采樣、量化、編碼、傳包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲等過程。輸、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。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標4.動態(tài)范圍：某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍動態(tài)范圍：某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅

9、值和最小幅值之比的分貝數(shù)。采是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)。采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值值Vimax與最小幅值與最小幅值Vimin之比的分貝數(shù)，動態(tài)范圍：之比的分貝數(shù)，動態(tài)范圍：瞬時動態(tài)范圍：對大動態(tài)范圍信號的高精度采集時，瞬時動態(tài)范圍：對大動態(tài)范圍信號的高精度采集時，某一時刻系統(tǒng)所能采集到的信號的不同頻率分量幅某一時刻系統(tǒng)所能采集到的信號的不同頻率分量幅值之比的最大值，即幅值最大頻率分量的幅值值之比的最大值，即幅值最大頻率分量的幅值Afmax與幅度最小頻率分量的幅值與幅度最小頻率分量的幅值Afmin之比的分貝數(shù)。瞬之比

10、的分貝數(shù)。瞬時動態(tài)范圍：時動態(tài)范圍： minmaxlg20iiiVVI minmaxlg20ffAAI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標5.非線性失真（諧波失真）：給系統(tǒng)輸入一個頻率為非線性失真（諧波失真）：給系統(tǒng)輸入一個頻率為f的正弦波時，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為的正弦波時，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf（k為正整為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧波失真系數(shù)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度，波失真系數(shù)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度，它通常用下式表示：它通常用下式表示：A1為基波振幅，為基波振幅，Ak為第為第k次諧波的

11、振幅。次諧波的振幅。%100.2322212322AAAAAH多路模擬開關的選擇要點多路模擬開關的選擇要點 選擇多路模擬開關時，應充分考慮信號的特點及系統(tǒng)特性，盡量選擇導通電阻小、漏電電流小、切換速度快的芯片，同時應注意要適當?shù)叵拗仆ǖ罃?shù)量，有必要時可以采用MUX的多路擴展方式。A/D轉換器的選擇要點轉換器的選擇要點采用A/D轉換器的模擬信號采集是一個要求比較高的工作，需要考慮多方面的問題。這里介紹需要重點注意的幾個問題。采樣速度。采樣速度決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性。采樣速度由模擬信號帶寬、數(shù)據(jù)通道數(shù)和每個周期的采樣數(shù)來決定。采集速度越高，對模擬信號復原的越好，也即實時性越好。根據(jù)奈奎斯特采樣

12、定理可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對源信號無損再現(xiàn)的必要條件是，采樣頻率至少為被采樣信號最高頻率的兩倍。 A/D轉換精度。對于復雜系統(tǒng)，一般計算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的方和根誤差。信號源阻抗、信號帶寬、A/D轉換器分辨率和系統(tǒng)的通過率都會影響誤差的計算。正常情況下，A/D轉換前向通道的總誤差應小于等于A/D轉換器的量化誤差，否則選取高分辨率A/D轉換器也沒有實際意義。 孔徑誤差。A/D轉換是一個動態(tài)的過程，需要一定的轉換時間。而輸入的模擬量總是在連續(xù)不斷變化的，這樣便造成轉換輸出的不確定性誤差，即孔徑誤差。為了確保較小的孔徑誤差，則要求A/D轉換器具有與之相適應的轉換速度。否則，就應該在A/D轉換器前加入采樣/保持

13、電路以滿足系統(tǒng)要求。 系統(tǒng)通過率。系統(tǒng)的通過率由模擬多路選擇器、輸入放大器的穩(wěn)定時間、采樣/保持電路的采集時間以及A/D轉換器的轉換時間確定。在模擬信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有正常順序和重疊兩種采集方式，采用低分辨率A/D轉換器、減少模/數(shù)轉換環(huán)節(jié)及采用重疊方式采集時，可獲得較大帶寬的通過速度。 （1）如何確定A/D轉換器的位數(shù)A/D轉換器位數(shù)的確定，應該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)平滑性這兩個方面進行考慮。目前，大多數(shù)測量裝置的精度值不小于01%0.5%，故A/D轉換器的精度取0.05%0。1%即可，相應的二進制碼為1011位，加上符號位，即為1112位。當有特殊的應用時，A/D轉換器要求更多

14、的位數(shù)，這時往往可采用雙精度的轉換方案。 （2）如何確定A/D轉換器的轉換速率A/D轉換器從啟動轉換到轉換結束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉換時間。轉換時間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉換次數(shù)，稱為轉換速率。確定A/D轉換器的轉換速率時，應考慮系統(tǒng)的采樣速率。 例如，如果用轉換時間為100us的A/D轉換器，則其轉換速率為10KHz。根據(jù)采樣定理和實際需要，一個周期的波形需采10個樣點，那么這樣的A/D轉換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號。把轉換時間減小，信號頻率可提高。 書中主要講述了如何確定書中主要講述了如何確定A/D轉換器的位數(shù)以及如何確定轉換器的位數(shù)以及如何確定A/D轉轉換器的轉

15、換速率，詳細公式和實例說明見書換器的轉換速率，詳細公式和實例說明見書P7778頁。頁。3.5.3 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本功能3 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式4 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理5 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢6 高速數(shù)據(jù)采集的應用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式多種多樣，常見的分類方法有以下幾種：l根據(jù)適應環(huán)境不同：隔離型和非隔離型，集中式和分布式；l根據(jù)控制功能：智能化和非智能化采集系統(tǒng)；l根據(jù)模擬信號的性質：電壓和電流信號，高電平和低電平信號，單端輸入和差分輸入；l根據(jù)信號通道的結構方式：單通道及多通道輸入方式。高速數(shù)據(jù)

16、采集系統(tǒng)基本功能高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本功能 一般來說，高數(shù)采集系統(tǒng)的任務是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號并轉換成數(shù)字信號后輸入計算機處理，得到特定的數(shù)據(jù)結果。同時將計算得到波形和數(shù)值進行顯示，對各種物理量狀態(tài)監(jiān)控。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式從高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成來分，有兩種：集成微型計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨立采集模擬和數(shù)字信號，數(shù)據(jù)通過光纖或網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C的硬盤進行保存及處理。集成微型計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是將PC及數(shù)據(jù)采集卡集成一體，采集卡采集完的數(shù)

17、據(jù)直接保存在內部的硬盤，無需通過線纜傳輸。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理下圖是基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般包括：AD模數(shù)轉換芯片、SDRAM動態(tài)數(shù)據(jù)存儲元件、Flash靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲元件、HPI主機接口、USB接口、PCI接口等。典型的數(shù)字信號處理過程如圖所示。 輸人信號可以是語音信號、調制后的電話信號、編碼的數(shù)字信號、壓縮的圖像信號，也可以是各種傳感器輸出的信號。如果輸人信號的幅度較小或者過大，一般都需要經(jīng)過放大器單元將輸入信號幅度放大或者縮小后，送到AD進行模數(shù)轉換；如果輸入信號帶有較大的噪聲，一般需要經(jīng)過一個硬件的模擬濾波單元，將信號濾波整形后，送到AD進行模數(shù)轉換。A

18、D能將模擬信號變換成數(shù)字信號，但必須滿足奈奎斯特采樣定理，也就是為了保證不丟失信息的所有信息，采樣頻率必須高于輸入信號最高頻率的2倍，一般為5倍以上。AD變換后得到的數(shù)字信號輸人到DSP芯片；再由DSP芯片對該數(shù)字信號進行各種數(shù)字信號算法的處理。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(1)新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉換部件不斷涌現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。(2)高性能單片機的問世和各種數(shù)字信號處理器的涌現(xiàn)，進一步推動了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應用。(3)智能化傳感器(Smarts nor)的發(fā)展，必將對今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。(4)與微型機配套的數(shù)據(jù)采集部件的大量問世，大大方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個領域里應用并有利于促進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術的進一步發(fā)展。(5)分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢。高速數(shù)據(jù)采集的應用高速數(shù)據(jù)采集的應用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有極高的采樣率，尤其適合用于瞬間測量量產(chǎn)生變化的場合。例如