數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)系周維龍

2教學(xué)內(nèi)容

第1章

緒論

第2章

模擬信號(hào)處理

第3章

模擬多路開關(guān)

第4章

測(cè)量放大器

第5章

采樣／保持器

第6章

模／數(shù)轉(zhuǎn)換器第7章

數(shù)／模轉(zhuǎn)換器第8章數(shù)據(jù)接口卡采集第9章

數(shù)字信號(hào)的采集第10章

數(shù)據(jù)的預(yù)處理課程地位數(shù)據(jù)采集（Dataacquisition）是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器、信號(hào)的測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，其實(shí)用型很強(qiáng)。作為獲取信息的工具，數(shù)據(jù)采集在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如核電、石化、冶金、航空航天、機(jī)械制造等方面有著非常重要的地位。人們可以通過(guò)對(duì)信號(hào)的測(cè)量（數(shù)據(jù)獲?。?、處理、控制及管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)、控、管自動(dòng)化與一體化。因此，本課程是自動(dòng)控制、測(cè)試、儀器儀表、機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生必須學(xué)習(xí)的一門專業(yè)課程。

數(shù)據(jù)采集不僅涉及到采樣基本理論的應(yīng)用，還涉及各種芯片的使用、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的抗干擾、程序的編制調(diào)試等工程應(yīng)用問(wèn)題。因此，本課程教學(xué)必須堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的原則，在講授采樣基本原理的基礎(chǔ)上，著重講授數(shù)據(jù)采集在工程上應(yīng)用的知識(shí)，以進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生運(yùn)用本課程講授的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；要使用啟發(fā)式教學(xué)，以精講為主，輔以適當(dāng)?shù)恼n程實(shí)習(xí)，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自覺性。教材及主要參考資料1．教材馬明建編著.《數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)(第3版）》.西安交通大學(xué)出版社,2008.2．主要參考資料`[1]祝常紅.《數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)》.電子工業(yè)出版社.2008[2]李念強(qiáng)《數(shù)據(jù)采集技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.機(jī)械工業(yè)出版社2005[3]任家富等.《數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù)》

.北京航空航天大學(xué)出版社.

2008總學(xué)時(shí)：48學(xué)分：3.0教學(xué)基本要求或建議：

1．連續(xù)信號(hào)的采樣問(wèn)題、采樣定理的定義、采樣定理的實(shí)際應(yīng)用、頻率混淆原因及解決措施。2．了解模/數(shù)和數(shù)/模的轉(zhuǎn)換過(guò)程、典型模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的工作原理；量化過(guò)程、誤差、編碼。3．了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的抗干擾措施。4．了解典型A/D、D/A和雙8225接口板的使用。5．了解模擬量采集程序和數(shù)字量采集程序的編程方法。6．采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、采樣數(shù)據(jù)中奇異項(xiàng)的剔除及采樣數(shù)據(jù)的平滑處理序

號(hào)

理論授課內(nèi)容提要學(xué)

時(shí)1第1章緒論42第2章模擬信號(hào)的數(shù)字化處理43第3章模擬多路開關(guān)24第4章測(cè)量放大器25第5章采樣/保持器46第6章模/數(shù)轉(zhuǎn)換器47第7章數(shù)/模轉(zhuǎn)換器28第八章數(shù)據(jù)的接口板卡采集29第九章數(shù)字信號(hào)的采集410第十章采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理211復(fù)習(xí)2共

計(jì)

32理論課分配表實(shí)驗(yàn)課分配表序號(hào)

內(nèi)容提要學(xué)

時(shí)1Multisim認(rèn)識(shí)一22Multisim認(rèn)識(shí)二23放大器電路設(shè)計(jì)與仿真24溫度采集電路的設(shè)計(jì)與仿真25Labview認(rèn)識(shí)26典型信號(hào)虛擬發(fā)生器27典型信號(hào)的頻譜分析28周期信號(hào)波形的合成和分解2共

計(jì)16

8第1章緒論教學(xué)內(nèi)容

91.2數(shù)據(jù)采集的意義與任務(wù)

1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能1.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式第1章緒論本章教學(xué)內(nèi)容1.6數(shù)據(jù)處理的類型和任務(wù)1.1數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用

101.1數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用

第1章緒論

111.1

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

了解數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史

理解的應(yīng)用

121.1

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用

1.

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史

機(jī)械式蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

1788年，英國(guó)機(jī)械師

J.瓦特(Watt)在改進(jìn)蒸汽機(jī)的同時(shí)，發(fā)明了離心式調(diào)速器，如左圖。

這是機(jī)械式蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。

當(dāng)蒸汽機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，離心調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)汽閥門的開度，從而控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)采集

131.1

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用離心式調(diào)節(jié)器形成的蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，見下圖。

瓦特的這項(xiàng)發(fā)明對(duì)第一次工業(yè)革命的發(fā)展有重要影響。數(shù)據(jù)采集進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速+-

離心式調(diào)節(jié)器形成的調(diào)速系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(jī)負(fù)載離心式調(diào)速器反饋

瓦特蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)問(wèn)題也引發(fā)了自動(dòng)化科學(xué)的發(fā)展。

141.1

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用水溫的手動(dòng)控制

圖中，水溫操作員要用手（通過(guò)感覺）來(lái)測(cè)試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過(guò)大腦）。

同時(shí)，他要決定（通過(guò)大腦）：其手應(yīng)該朝哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)閥門（打開或關(guān)閉）；旋轉(zhuǎn)多大的角度）。2.

數(shù)據(jù)采集在自動(dòng)控制中的位置

15水溫的自動(dòng)控制

采用自動(dòng)控制時(shí)，水溫的手動(dòng)控制的功能，由各種傳感器、儀表、執(zhí)行器來(lái)代替。傳感器—

測(cè)溫計(jì)：感測(cè)水的溫度；執(zhí)行器—

調(diào)節(jié)閥：打開或關(guān)閉蒸汽閥；控制器—

調(diào)節(jié)記錄儀：采集、比較、判斷水溫，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥。1.1

數(shù)據(jù)采集的發(fā)展史和應(yīng)用

163.數(shù)據(jù)供采集愧的工捎程應(yīng)椒用實(shí)帳例生產(chǎn)肅過(guò)程擾數(shù)據(jù)碧采集法與控算制系況統(tǒng)控制蛾量輸出獸信號(hào)擾動(dòng)……生產(chǎn)過(guò)程傳感習(xí)器數(shù)據(jù)圓采集控制廉信號(hào)1.畏1數(shù)據(jù)胞采集柿的發(fā)缺展史握和應(yīng)紹用17鋼鐵舉熱連萍軋數(shù)棵據(jù)采曬集與塔自動(dòng)必控制1.瞞1數(shù)據(jù)限采集棕的發(fā)枕展史夜和應(yīng)前用18數(shù)控悉車床控制記面板防護(hù)備罩排屑償機(jī)冷卻云液箱1.傷1數(shù)據(jù)淋采集唱的發(fā)衫展史阿和應(yīng)降用19自動(dòng)搞駕駛頌汽車1.秤1數(shù)據(jù)尿采集于的發(fā)駱展史膏和應(yīng)塔用20仿人機(jī)器人多指靈巧機(jī)器手1.示1數(shù)據(jù)柏采集妹的發(fā)技展史沃和應(yīng)貞用21自動(dòng)洲控制充溫室1.災(zāi)1數(shù)據(jù)釣采集午的發(fā)劍展史調(diào)和應(yīng)芬用221.腎2數(shù)據(jù)俊采集醬的意吼義與烈任務(wù)1.數(shù)據(jù)跌采集倚的定岡義指采強(qiáng)集溫嫁度、伐壓力啟、流量等株模擬詞量，銅轉(zhuǎn)換蹤蝶成數(shù)字量遍，由術(shù)計(jì)算資機(jī)進(jìn)拉行存儲(chǔ)、久處理疊、打都印的賺過(guò)程跡。數(shù)據(jù)翻采集——相應(yīng)倦系統(tǒng)炕稱為蔽數(shù)據(jù)持采集攝系統(tǒng)映。231.質(zhì)2數(shù)據(jù)柳采集咐的意鮮義與粉任務(wù)2.數(shù)據(jù)走采集洞的意貓義①在生醫(yī)產(chǎn)過(guò)迷程中粘，對(duì)蘭工藝粱參數(shù)選進(jìn)行采集匙、監(jiān)雖測(cè)，暴為提撇高質(zhì)橋量、叮安全生產(chǎn)層、降脈低成墾本提蹦供信接息。作用②在科富學(xué)研淺究中劈燕，用泊來(lái)獲遭取微塑觀、動(dòng)靜閥態(tài)信桶息。例如狂，物居體的濟(jì)運(yùn)動(dòng)祝數(shù)據(jù)站記錄鳥、處杜理。241.項(xiàng)1數(shù)據(jù)飼采集餐的意送義與蝦任務(wù)汽車肆碰撞磨數(shù)據(jù)剛采集25解決對(duì)人不紐奉能解寨決的墓問(wèn)題攔。意義：3.數(shù)據(jù)傘采集邀系統(tǒng)嫁的任討務(wù)任務(wù)有①采集衛(wèi)傳感熊器輸拋出的植模擬龜信號(hào)騾，并辨轉(zhuǎn)換成角數(shù)字物信號(hào)恐，然碌后送欄入計(jì)仰算機(jī)易。②計(jì)算特機(jī)對(duì)別數(shù)字芽信號(hào)肯進(jìn)行免處理肅。提高壩工作返效率婚，取嘩得較鼻好的誤經(jīng)濟(jì)效益根。結(jié)果情：1.瞇2數(shù)據(jù)輛采集愛的意狹義與素任務(wù)261.呼2數(shù)據(jù)克采集銜的意爹義與架任務(wù)5.構(gòu)成翠數(shù)據(jù)噸采集菜系統(tǒng)周的依碑據(jù)在保認(rèn)證系砌統(tǒng)具陪備采樣療精度的條庭件下筋，有盡可噸能高揉的采樣過(guò)速度，以梨滿足趨實(shí)時(shí)悼處理戶、控制的財(cái)要求診。4.評(píng)價(jià)俯數(shù)據(jù)俗采集杯系統(tǒng)醒性能占優(yōu)劣看的標(biāo)淹準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)蜂有系統(tǒng)哀的采樣值精度。系統(tǒng)概的采樣眨速度。271.茫3數(shù)據(jù)洲采集廊系統(tǒng)部的基執(zhí)本功開能第1章架緒求論28本節(jié)沒(méi)教學(xué)齊目標(biāo)理解齡模擬杠信號(hào)豆與處影理理解倒數(shù)字庭信號(hào)棄與處容理理解斧二次蔽數(shù)據(jù)苦計(jì)算1.殖3數(shù)據(jù)否采集哭系統(tǒng)櫻的基吳本功寒能29數(shù)據(jù)別采集掏系統(tǒng)圓一般掏具有逢以下鄉(xiāng)豐功能橡：1.采集插數(shù)據(jù)按照美采樣泥周期虜，對(duì)貝模擬請(qǐng)、數(shù)區(qū)字、鐵開關(guān)券信號(hào)采樣嶼。2.模擬襖信號(hào)貸處理模擬秤信號(hào)—指信總號(hào)幅路值隨酒時(shí)間中連續(xù)插變化郊的信號(hào)粗。1.早3數(shù)據(jù)影采集熔系統(tǒng)風(fēng)的基嬸本功呈能301.雙3數(shù)據(jù)僵采集頃系統(tǒng)葛的基探本功疼能特點(diǎn)凳：在規(guī)薯定的納一段啊連續(xù)存時(shí)間內(nèi)內(nèi)，金其幅迷值為連續(xù)湖值。優(yōu)點(diǎn)旺：便于折傳送恭。缺點(diǎn)破：易受恭干擾紛。信號(hào)類型①由傳記感器種輸出歐的電戀壓信違號(hào)②由儀喝表輸鉛出的辛電流謹(jǐn)信號(hào)0～20抬mA4～20左mA311.盜3數(shù)據(jù)騾采集勻系統(tǒng)巖的基染本功軍能信號(hào)處理①將采梨樣信包號(hào)②將轉(zhuǎn)而換的眨數(shù)字蠶信號(hào)繳作標(biāo)中度變算換3.數(shù)字書信號(hào)鋼處理數(shù)字痕信號(hào)—指在眠有限述離散劑瞬時(shí)或上取遵值間劑斷的信籌號(hào)。特點(diǎn)疤：時(shí)間匯和幅檔值都領(lǐng)不連拒續(xù)的寄信號(hào)抓?！鷶?shù)字禾信號(hào)321.憐3數(shù)據(jù)牧采集惰系統(tǒng)耳的基賢本功之能優(yōu)點(diǎn)吉：抗干擔(dān)擾能館力強(qiáng)缺點(diǎn)垮：需要墻一套象轉(zhuǎn)換腹電路唉，增拖加成煤本。傳送雨方式①并行收傳送②串行忠傳送信號(hào)似處理聚：將數(shù)戴字信里號(hào)采電入計(jì)煮算機(jī)駝后，刻進(jìn)行碼制鳥轉(zhuǎn)換崇。如BC豎D→AS邊CI穴I，便于鏡在屏逐幕上呀顯示移。331.夜3數(shù)據(jù)凈采集卸系統(tǒng)啊的基跑本功音能4.開關(guān)繩信號(hào)洪的處完理開關(guān)糧信號(hào)—由按綠鈕、奇行程摸開關(guān)館等器貿(mào)件觸點(diǎn)產(chǎn)耕生的固信號(hào)扣。信號(hào)哄處理出：根據(jù)烈開關(guān)脂的狀洪態(tài)執(zhí)單行相希應(yīng)的差操作缺。5.二次混數(shù)據(jù)宏計(jì)算概念一次于數(shù)據(jù)—二次捏數(shù)據(jù)—從傳顧感器繭采集鑼的數(shù)則據(jù)。對(duì)一畜次數(shù)申據(jù)作驗(yàn)計(jì)算能得到的數(shù)孤?lián)?41.榜3數(shù)據(jù)挑采集污系統(tǒng)碰的基遇本功年能二次芳數(shù)據(jù)平均繪、累意計(jì)傅里序葉變域換、獅積分爸變換變化擋率、拾差值最大紋值、配最小洪值6.屏幕語(yǔ)顯示將數(shù)位字、亂圖形愚、圖路表等能顯示埋在屏陣幕上亮。7.數(shù)據(jù)巾存儲(chǔ)按時(shí)托間間銳隔，漲將數(shù)蛙據(jù)存制儲(chǔ)在唱外部格存儲(chǔ)覽器。351.道3數(shù)據(jù)銳采集際系統(tǒng)改的基煎本功勻能8.打印窮輸出按時(shí)黎間間鄙隔，第打印痛輸出萍數(shù)字癢、圖濫形。9.人機(jī)打聯(lián)系操作醉人員寫用鍵材盤或圖鼠標(biāo)寶與系診統(tǒng)對(duì)侍話，均完成運(yùn)淹行方倘式的熊設(shè)置蘇。361.嗎3數(shù)據(jù)輩采集灶系統(tǒng)油的基濕本功首能371.聽4數(shù)據(jù)免采集擋系統(tǒng)從的結(jié)保構(gòu)形欄式第1章教緒味論38本節(jié)青教學(xué)塔目標(biāo)理解微型燒計(jì)算括機(jī)數(shù)雄據(jù)采渾集系于統(tǒng)的倉(cāng)結(jié)構(gòu)理解走集散藍(lán)型數(shù)僻據(jù)采濃集系適統(tǒng)的福結(jié)構(gòu)1.趟4數(shù)據(jù)你采集佳系統(tǒng)惠的結(jié)宇構(gòu)形屈式391.珠4數(shù)據(jù)熄采集棗系統(tǒng)稀的結(jié)鉛構(gòu)形命式系統(tǒng)濱組成①硬件結(jié)構(gòu)險(xiǎn)形式①微型速計(jì)算倍機(jī)數(shù)饞據(jù)采味集系非統(tǒng)②軟件②集散噴型數(shù)椅據(jù)采泡集系塵統(tǒng)401.咳4數(shù)據(jù)偷采集殿系統(tǒng)寬的結(jié)慕構(gòu)形閣式1.微型寧計(jì)算穴機(jī)數(shù)倒據(jù)采宮集系輛統(tǒng)系統(tǒng)忽的結(jié)敞構(gòu)如佳圖1-充1所示悲。411.泊4數(shù)據(jù)凍采集戶系統(tǒng)劉的結(jié)漏構(gòu)形薪式圖1-督1微型槍計(jì)算膠機(jī)數(shù)楚據(jù)采咸集系吩統(tǒng)放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)顯示器打印機(jī)繪圖機(jī)定時(shí)與邏輯控制接口被測(cè)物理察量數(shù)字信號(hào)開關(guān)信號(hào)…多路開關(guān)傳感器傳感器傳感器421.賀4數(shù)據(jù)綠采集完系統(tǒng)沿的結(jié)造構(gòu)形粒式(1季)(2儉)(3丘)(4爆)(5扮)一個(gè)餡工作薦周期多路缸開關(guān)放大芝器采樣徒／保碌持A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)爪總線圖1-膽2數(shù)據(jù)覽采集義系統(tǒng)猜工作寬時(shí)序1.常2s6stAD啟動(dòng)做脈沖431.詞4數(shù)據(jù)刪采集穗系統(tǒng)非的結(jié)評(píng)構(gòu)形肚式系統(tǒng)千特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)攝簡(jiǎn)單垃，易極實(shí)現(xiàn)②對(duì)型環(huán)境甚要求戴不高③系身統(tǒng)成裳本低④集洪散型嘆的基休本單舅元⑤模災(zāi)板齊唉全，賽易組抄成系職統(tǒng)2.集散依型數(shù)旋據(jù)采獄集系蒸統(tǒng)系統(tǒng)攪結(jié)構(gòu)奏如圖1-呀3所示慨。441.考4數(shù)據(jù)電采集練系統(tǒng)滾的結(jié)槐構(gòu)形夠式模擬恥量輸賄入模擬懸量輸編入模擬滔量輸?shù)腿霐?shù)字胖量輸欺入數(shù)字鞭量輸入數(shù)字盒量輸?shù)秩隦S嚴(yán)-4積85RS懸-4扮85生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站數(shù)據(jù)采集站通信接口上位機(jī)圖1-姓3集散既型數(shù)腫據(jù)采顫集系應(yīng)統(tǒng)451.家4數(shù)據(jù)尚采集蕉系統(tǒng)攻的結(jié)災(zāi)構(gòu)形注式系統(tǒng)閥特點(diǎn)①適應(yīng)泥能力鵝強(qiáng)②可任靠性煤高③實(shí)內(nèi)時(shí)性煙好④對(duì)洋硬件觀要求協(xié)不高461.揉6數(shù)據(jù)捷處理睬的類異型和叨任務(wù)第1章震緒辮論47本節(jié)升教學(xué)念目標(biāo)理解切數(shù)據(jù)蓬處理福的類藏型理解盡采集天信號(hào)件的標(biāo)培度變賄換1.共6數(shù)據(jù)獅處理催的類上型和旦任務(wù)481.淹6數(shù)據(jù)滿處理昨的類劫型和債任務(wù)處理類型①按處浙理方急式實(shí)時(shí)件（在著線）撇處理事后遙（脫嗓機(jī)）踏處理②按處刺理性學(xué)質(zhì)預(yù)處霜理剔除策誤差標(biāo)度貴變換二次處理微分帥、積排分傅里掉葉變舌換491.擺6數(shù)據(jù)汗處理曠的類錫型和禽任務(wù)處理象任務(wù)①對(duì)采練集信束號(hào)作斗標(biāo)度牙變換②消衣除數(shù)棟據(jù)中亦的干泊擾③分塘析計(jì)進(jìn)算數(shù)匹據(jù)中芹的內(nèi)事在特枝征對(duì)采斑集到蜓的電遷信號(hào)贏作標(biāo)里度變丟換將沒(méi)偏有物風(fēng)理意掃義的飲電壓喜信號(hào)葬，轉(zhuǎn)莖換為增原來(lái)對(duì)應(yīng)烈的物溜理量壞。501.杰6數(shù)據(jù)中處理泊的類全型和榆任務(wù)消除齒數(shù)據(jù)端中的來(lái)干擾劑信號(hào)消除孤在數(shù)便據(jù)的鍛采集沸、傳攻送和菜轉(zhuǎn)換鋼過(guò)程巖中，系統(tǒng)牙內(nèi)部泥和外揪部干停擾在某數(shù)據(jù)刺中混趁入干飽擾信擋號(hào)，以保凳證采踏樣精森度。分析讀計(jì)算蛋數(shù)據(jù)互的內(nèi)透在特咱征對(duì)采挖集到逆的數(shù)畫據(jù)進(jìn)裝行變