傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書題 目: 傳感器及數(shù)據(jù)采集技術(shù) 能力拓展訓(xùn)練目的：能力拓展訓(xùn)練的主要目的是安排學(xué)生進(jìn)行與專業(yè)有關(guān)的綜合性設(shè)計(jì)和研究，開展專題調(diào)研與研究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；鍛煉學(xué)生查詢文獻(xiàn)資料、靈活運(yùn)用知識(shí)、有效開展科學(xué)研究的能力；提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。根據(jù)本專業(yè)需求和特點(diǎn)，需要在通信專業(yè)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能方面進(jìn)行綜合提高，使學(xué)生對(duì)常用的數(shù)據(jù)分析與處理原理及方法有較為全面的了解，能夠運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬分析。能力拓展訓(xùn)練內(nèi)容和要求：要求學(xué)生根據(jù)所選方向，對(duì)某相關(guān)課題和問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，查閱資料，分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)和比較方案，進(jìn)行綜合分析、實(shí)驗(yàn)或仿真并得出結(jié)論，寫出研究報(bào)告

2、。初始條件：（1）鑒主15樓“通信實(shí)驗(yàn)室一”mbc-5w移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱，鑒主13樓thex-1型現(xiàn)代通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；（2）matlab，protel等；（3）武漢理工大學(xué)圖書館及圖書館網(wǎng)站上的“電子資源導(dǎo)航”。時(shí)間安排：序號(hào)訓(xùn)練內(nèi)容所用時(shí)間1布置任務(wù)05天2項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐4天3答辯05天合 計(jì)5天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日20第20頁(yè)目 錄摘要2abstract31.傳感器41.1傳感器的定義41.2傳感器的分類41.3傳感器的特性41.3.1傳感器的靜態(tài)特性41.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性51.3.3傳感器的遲滯特性51.4 傳感器參數(shù)51.4.1 傳

3、感器的線性度51.4.2 傳感器的靈敏度51.4.3 傳感器的分辨力61.5傳感器種類61.5.1 壓電傳感器61.5.2電阻式傳感器71.5.3電容式傳感器91.5.4電感傳感器101.5.5磁電式傳感器111.5.6 霍爾效應(yīng)傳感器111.6傳感器的選用111.7 傳感器的應(yīng)用122.數(shù)據(jù)采集技術(shù)132.1概述132.1.1采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù)132.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成142.3模入信號(hào)類型142.3.1 數(shù)字信號(hào)142.3.2 模擬直流信號(hào)142.3.3 模擬時(shí)域信號(hào)152.3.4 模擬頻域信號(hào)152.4.1 接地信號(hào)152.4.2 浮動(dòng)信號(hào)162.5 測(cè)量系統(tǒng)分類162.

4、5.1 差分測(cè)量系統(tǒng)162.4.2參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(rse)172.4.3無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(nrse)172.5 信號(hào)調(diào)理18參考文獻(xiàn)19摘要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) gb7665-87 對(duì)傳感器下的定義是： “ 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 ” 。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁

5、。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來(lái)一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。abstractthe national standard gb7665-87 of sensor definition is: "can feel the provisions is measured according to certain rules and converted into usable signal, usually by the device or device sensitive components and convers

6、ion components". sensor is a detection device, can feel the information is measured, and can feel of the information, test according to certain rule transformation become electrical signals or other forms of information output needed to meet information transmission, processing, storage, displa

7、y, record and control requirements. it is the realization of automatic detection and automatic control of the first link. in the wider use of computer today, the importance of data collection is very significant. it is computer and external physical world connection of the bridge. various types of s

8、ignal acquisition and how easy it is to the difference is very big. the actual collected, noise can also bring some trouble. data collection, there are some basic principle to pay attention, and more practical problems to solve. 1.傳感器1.1傳感器的定義 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) gb7665-87 對(duì)傳感器下的定義是： “ 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或

9、裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 ” 。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 1.2傳感器的分類目前對(duì)傳感器尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種： 1按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器。2按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵熱電偶等傳感器。 3按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量（ “ ” 和 “ ” 或 “ 開 ” 和 “ 關(guān)

10、” ）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。1.3傳感器的特性1.3.1傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。 1.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性 所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)?/p>

11、傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。1.3.3傳感器的遲滯特性 遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐涕g輸出 - 一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值 max 與滿量程輸出 f·s的百分比表示，遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。1.4 傳感器參數(shù)1.4.1 傳感器的線性度 通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在

12、實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。 1.4.2 傳感器的靈敏度 靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化 y 對(duì)輸入量變化 x 的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度 s 是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。 靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在

13、位移變化 1mm 時(shí)，輸出電壓變化為 200mv ，則其靈敏度應(yīng)表示為 200mv/mm 。 當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。 提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。1.4.3 傳感器的分辨力 分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。 通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入

14、量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。 1.5傳感器種類1.5.1 壓電傳感器1. 壓電效應(yīng)有些晶體或半導(dǎo)體，當(dāng)受到外力作用而發(fā)生變形時(shí)，表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。稱為壓效應(yīng)（順壓電效應(yīng)），用于測(cè)定壓力，振動(dòng)等。反之，在壓電材料上施加交變電場(chǎng)，材料會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，稱為逆壓電效應(yīng)。來(lái)作為超聲波發(fā)生器。例：石英經(jīng)過(guò)處理后，是六面體的棱柱體 x軸為電軸 y軸為機(jī)械軸 z軸為光軸特性：沿x軸作用力fx，在垂直于x軸表面產(chǎn)生壓電效應(yīng)后為縱壓效應(yīng)，(+)沿y軸方向作用力fy，在垂直于x軸的兩面產(chǎn)生大小相等，符號(hào)相反的電荷。稱橫向壓力效應(yīng)(-)電荷場(chǎng)產(chǎn)生在垂直于x軸的表

15、面上，其電荷為 (圖2個(gè)) (k-壓電系數(shù)，與材料有關(guān)) (靈敏)反之，在交變電場(chǎng)作用下，沿y軸方向的機(jī)械變形最明顯，稱逆壓電效應(yīng)。2壓電傳感輸出的電荷是與所施加的壓力成正比。能測(cè)量力，壓力，速度，振動(dòng)等物理量。一般內(nèi)二片以上壓電元件組成，于有極性，有串聯(lián)和并聯(lián)聯(lián)接方式串聯(lián)(圖) 特點(diǎn)：輸出v大，c小，時(shí)間常數(shù)小，瞬態(tài)。并聯(lián)(圖) 特點(diǎn)：輸出q大，c大，大，緩變信號(hào)。壓電晶片的絕緣電阻很高，置于兩級(jí)之間含連接導(dǎo)線，可能為是電容器。壓電傳感器內(nèi)阻抗非常高，輸出信號(hào)位于微弱，需經(jīng)電荷放大器放大，并可轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。設(shè)單片 組合后為q 、v、c壓電傳感的能量以電壓或電荷兩種電量形式輸出的電壓靈敏度

16、電荷 為提高壓電晶體的靈敏度，可選用k值大的材料，c小的導(dǎo)線作為輸出線。要求自振頻率高，質(zhì)量小，剛度大，裝配的時(shí)加預(yù)緊力消除間隙。要求好的絕緣性能，用無(wú)水酒精擦洗，在120攝氏度烘和內(nèi)烘3小時(shí)(一般用電吹風(fēng))。高溫時(shí)要求外部冷卻。3測(cè)量電路 測(cè)量電路采用電荷放大器，傳感器，導(dǎo)線、電荷 放大器一同穩(wěn)定標(biāo)定時(shí)：直流電壓表,往復(fù)式壓力針。1.5.2電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測(cè)量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。復(fù)雜構(gòu)件用電算不能解決將零件變形參數(shù)(非電量)轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)變化參數(shù)

17、(電量)有變阻式(改變導(dǎo)體長(zhǎng)度)、壓阻式(改變內(nèi)部接觸電阻)、電阻應(yīng)變式(改變內(nèi)部應(yīng)力)、熱敏電阻式(由于溫度變化引起電阻變化)測(cè)量位移、轉(zhuǎn)角、力、應(yīng)力、壓力、溫度等。1.工作原理如金屬電阻絲電阻 當(dāng)電阻絲受拉伸式壓縮后，幾何尺寸變化，電阻值也變化 ，由材料力學(xué)可知：(縱向應(yīng)變)，(橫向應(yīng)變)， (泊桑比) ： ， (體積變化率) 對(duì)于某一金屬 電阻絲鎳鉻合金，康銅合金應(yīng)變率靈敏系數(shù)半導(dǎo)體電阻絲以上 即 2.結(jié)構(gòu) (圖) 絲式應(yīng)變片 易于粘貼；耐熱、耐濕性差；制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高；對(duì)環(huán)境溫度變化敏感箔式應(yīng)變片(經(jīng)光刻技術(shù)，腐蝕等工序制成厚度為0.0030.010)精度高，適

18、應(yīng)性好，廣泛應(yīng)用3.溫度補(bǔ)償從兩個(gè)方面考慮：電阻絲本身r=f(t)電阻絲本身與試件或彈性元件的膨脹系數(shù)不同引起的 若 式中k電阻絲靈敏系數(shù)電阻絲電阻溫度系數(shù)；試件、電阻絲線膨脹系數(shù)；電阻溫度系數(shù)。1.5.3電容式傳感器電容式傳感器具有可變參數(shù)的傳感器，通常以空氣為介質(zhì)，二個(gè)多屬平板作電極電容量： 式中：s極板間相互覆蓋的工作面積。(4-1圖) 兩極板的距離介質(zhì)介電常數(shù)1) 變間距式：s、不變，改變 呈反比為雙曲線非線性能否用傳感器？(圖) 對(duì)于差動(dòng)式線性度提高，工作范圍擴(kuò)大，靈敏度提高一倍。過(guò)小，易電容擊穿，一般數(shù)量元母片(固體介質(zhì)) 由于分線中增加了一項(xiàng)常數(shù)項(xiàng)，且初始間隙比減小，使線性得到一

19、定改善(4-2圖)2) 變面積式 直線位移() o 為線性靈敏度= (4-3圖) 角位移 線性3) 變介電常數(shù)(p73)(5-2圖)(5-1圖)4)測(cè)量電路常用位于調(diào)制與解調(diào)電路(介電常數(shù)與環(huán)境溫度有關(guān)，需在測(cè)量電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償)1.5.4電感傳感器電感傳感器是將非電量的位移、轉(zhuǎn)角、壓力、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換為電感的變化量接入電橋電路，再變?yōu)殡妷狠敵觥?.自感式(線圈式)(5-3圖) 式中人w線圈匝數(shù)；磁路的總磁阻(s)鐵芯銜鐵的磁阻<<空氣隙的磁阻 (空氣的導(dǎo)磁系數(shù)) 同理： 可用差動(dòng)式測(cè)量電路：調(diào)制和解調(diào)電路 電感 電壓(p70圖4-6)2.互感式(變壓器式)差動(dòng)式 將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為線圈

20、的互感變化量，內(nèi)兩個(gè)鐵芯和一個(gè)公用銜鐵組成。 銜鐵偏差中心位置，單個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓；銜鐵處于中心位置，單個(gè)次級(jí)線圈珠互感電壓；互感變化量。測(cè)量電路：差動(dòng)整流電路。1.5.5磁電式傳感器用于測(cè)量轉(zhuǎn)速、振幅、位移、加速度、轉(zhuǎn)矩等物理量。1.線圈運(yùn)動(dòng)式 直線位移（p75圖4-13a） 感應(yīng)電勢(shì)：式中：線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；每匝導(dǎo)線線圈的長(zhǎng)度；氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度（高斯）；匝數(shù)；線圈運(yùn)動(dòng)的線速度。 施轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（p75圖4-13 b 用于測(cè)量轉(zhuǎn)角、測(cè)速） d線圈直徑2.鐵芯運(yùn)動(dòng)式(p76 圖4-14,用于測(cè)轉(zhuǎn)角,測(cè)速)式中：z匝數(shù)；n的r/mm；氣隙中最大磁通量；感應(yīng)電勢(shì)的頻率正比于被測(cè)轉(zhuǎn)速 如匝

21、數(shù)為z=60 ,則 軸速表=頻率計(jì) 為求系數(shù)，加速度接入須分，積分電路，求出 1.5.6 霍爾效應(yīng)傳感器某半導(dǎo)體元件在垂直于共薄片上穿過(guò)磁力線b，1-2通以控制電流 ，3-4輸出電壓霍爾常數(shù)；元件厚度；磁電感應(yīng)強(qiáng)；霍爾效應(yīng)靈敏系數(shù)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，頻響寬，非接解式；位移、力、壓力、開關(guān)控制元件。1.6傳感器的選用傳感器千差萬(wàn)別，即便對(duì)于相同種類的測(cè)定量也可采用不同工作原理的傳感器，因此，要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。 (1) 測(cè)量條件 如果誤選傳感器，就會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。為此，要從系統(tǒng)總體考慮，明確使用的目的以及采用傳感器的必要性，絕對(duì)不要采用不適宜的傳感器與不必要的傳感器。測(cè)量條件列舉如

22、下，即測(cè)量目的，測(cè)量量的選定，測(cè)量的范圍，輸入信號(hào)的帶寬，要求的精度，測(cè)量所需要的時(shí)間，過(guò)輸入發(fā)生的頻繁程度。 (2) 傳感器的性能 選用傳感器時(shí)，要考慮傳感器的下述性能，即精度，穩(wěn)定性，響應(yīng)速度，模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)，輸出量及其電平，被測(cè)對(duì)象特性的影響，校準(zhǔn)周期，過(guò)輸人保護(hù)。 (3) 傳感器的使用條件 傳感器的使用條件即為設(shè)置的場(chǎng)所，環(huán)境 ( 濕度、溫度、振動(dòng)等 ) ，測(cè)量的時(shí)間，與顯示器之間的信號(hào)傳輸距離，與外設(shè)的連接方式，供電電源容量。1.7 傳感器的應(yīng)用傳感器應(yīng)用的一般模式示意圖。2力傳感器的應(yīng)用電子秤應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量。3聲傳感器的應(yīng)用話筒動(dòng)圈式話筒的

23、工作原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。膜片接收到聲波后引起振動(dòng)，連接在膜片上的線圈隨著一起振動(dòng)，線圈在永磁體的磁場(chǎng)里振動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號(hào)），感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化都由聲波決定，這個(gè)信號(hào)電流經(jīng)擴(kuò)音器放大后傳給揚(yáng)聲器，從揚(yáng)聲器中就發(fā)出放大的聲音。3溫度傳感器的應(yīng)用電熨斗溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，它能把溫度的高低轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通常是利用物體的某一物理性質(zhì)隨溫度的變化而改變的特性制成的電熨斗就是靠溫度傳感器來(lái)控制溫度的。2. 數(shù)據(jù)采集技術(shù)2.1概述在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際

24、采集時(shí)，噪聲也可能帶來(lái)一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。2.1.1采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù)假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t) 每隔t時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/t 被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。t=0, t ,2t ,3t 等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0),x(t),x(2t )都是采樣值。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來(lái)表示：如果對(duì)信號(hào)x(t)采集n個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示：這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。注意這個(gè)數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而

25、不含有任何關(guān)于采樣率（或t）的信息。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問(wèn)題是：是否使用buffer？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作。 2.3模入信號(hào)類型數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)所采集的信號(hào)的特性有

26、所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測(cè)量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測(cè)信號(hào)，才能選擇合適的測(cè)量方式和采集系統(tǒng)配置。任意一個(gè)信號(hào)是隨時(shí)間而改變的物理量。一般情況下，信號(hào)所運(yùn)載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài)（state）、速率(rate)、電平(level)、形狀(shape)、頻率成分(frequency content)。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。數(shù)字(二進(jìn)制)信號(hào)分為開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào)。2.3.1 數(shù)字信號(hào)第一類數(shù)字信號(hào)是開-關(guān)信號(hào)。一個(gè)開-關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。ttl信號(hào)就是一個(gè)開-關(guān)信號(hào)，一個(gè)ttl信號(hào)如果在

27、2.0到5.0v之間，就定義它為邏輯高電平，如果在0到0.8v之間，就定義為邏輯低電平。第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。安裝在馬達(dá)軸上的光學(xué)編碼器的輸出就是脈沖信號(hào)。有些裝置需要數(shù)字輸入，比如一個(gè)步進(jìn)式馬達(dá)就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來(lái)控制位置和速度。2.3.2 模擬直流信號(hào)模擬直流信號(hào)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。直流信號(hào)最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載的信息的幅度。常見的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號(hào)時(shí)，需要有足夠的精度以正確測(cè)量信號(hào)電平，由于直流信號(hào)

28、變化緩慢，用軟件計(jì)時(shí)就夠了，不需要使用硬件計(jì)時(shí)。2.3.3 模擬時(shí)域信號(hào)模擬時(shí)域信號(hào)與其他信號(hào)不同在于，它在運(yùn)載信息時(shí)不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)時(shí)，也可以說(shuō)是一個(gè)波形，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列，序列的時(shí)間間隔也應(yīng)該合適，以保證信號(hào)的有用部分被采集到。要以一定的速率進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)測(cè)量速率要能跟上波形的變化。用于測(cè)量時(shí)域信號(hào)的采集系統(tǒng)包括一個(gè)ad、一個(gè)采樣時(shí)鐘和一個(gè)觸發(fā)器。ad的分辨率要足夠高，保證采集數(shù)據(jù)的精度，帶寬要足夠高，用于高速率采樣；精確的采樣時(shí)鐘，用于以精確的時(shí)間間隔采樣；觸發(fā)器使測(cè)

29、量在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間開始。存在許多不同的時(shí)域信號(hào)，比如心臟跳動(dòng)信號(hào)、視頻信號(hào)等，測(cè)量它們通常是因?yàn)閷?duì)波形的某些方面特性感興趣。2.3.4 模擬頻域信號(hào)模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，然而，從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。用于測(cè)量一個(gè)頻域信號(hào)的系統(tǒng)必須有一個(gè)ad、一個(gè)簡(jiǎn)單時(shí)鐘和一個(gè)用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號(hào)中提取頻域信息。為了實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)字信號(hào)處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的dsp硬件來(lái)迅速而有效地分析信號(hào)。模擬頻域信號(hào)也很多，比如聲音信號(hào)、地球物理信號(hào)、傳輸信號(hào)等。上述信號(hào)分類不是互相排斥的。一個(gè)特定的信號(hào)可能運(yùn)載有

30、不只一種信息，可以用幾種方式來(lái)定義信號(hào)并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。2.4 模入信號(hào)的連接方式一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類型。測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分（differential）、參考地單端（rse）、無(wú)參考地單端（nrse）三種類型。接地信號(hào)和浮動(dòng)信號(hào)2.4.1 接地信號(hào)接地信號(hào)，就是將信號(hào)的一端與系統(tǒng)地連接起來(lái)，如大地或建筑物的地。因?yàn)樾盘?hào)用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。接地最常見的例子是通過(guò)墻上的接地引出線，如信號(hào)發(fā)生器和電源。2.4.2 浮動(dòng)信號(hào)一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號(hào)稱為浮動(dòng)信號(hào)，浮動(dòng)信號(hào)的每個(gè)端口都與系

31、統(tǒng)地獨(dú)立。一些常見的浮動(dòng)信號(hào)的例子有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。2.5 測(cè)量系統(tǒng)分類2.5.1 差分測(cè)量系統(tǒng)差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)。圖6-6描述了一個(gè)8通道的差分測(cè)量系統(tǒng)，用一個(gè)放大器通過(guò)模擬多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通道間的轉(zhuǎn)換。標(biāo)有aignd（模擬輸入地）的管腳就是測(cè)量系統(tǒng)的地。圖6-6差分測(cè)量系統(tǒng) 一個(gè)理想的差分測(cè)量系統(tǒng)僅能測(cè)出（+）和（-）輸入端口之間的電位差，完全不會(huì)測(cè)量到共模電壓。然而，實(shí)際應(yīng)用的板卡卻限制了差分測(cè)量系統(tǒng)抵抗共模電壓的能力，數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對(duì)與測(cè)量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動(dòng)范圍。共模電壓的范圍關(guān)系到一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的性能，可以用不同的方式來(lái)消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共模電壓超過(guò)允許范圍，需要限制信號(hào)地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。2.4.2參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(rse) 一個(gè)rse測(cè)量系統(tǒng)，也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地aignd。圖6-7描繪了一個(gè)16通道的rse測(cè)量系統(tǒng)。2.4.3無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(nrse) 在nrse測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)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(duì)于測(cè)量