數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理一點通

1、數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理一點通數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理一點通信號與系統(tǒng)初步 一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入模擬輸入采樣采樣/量化量化1101數(shù)字輸入數(shù)字輸入數(shù)字信號數(shù)字信號處理處理1101數(shù)字輸出數(shù)字輸出模擬重建模擬重建模擬輸出模擬輸出信號與系統(tǒng)初步 信號的分類：信息信息狀態(tài)狀態(tài)速率速率幅值幅值形狀形狀頻率頻率onofft1-0-t0.985ttf信號信號模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量開開/關(guān)信號關(guān)信號脈沖隊列脈沖隊列直流信號直流信號時域信號時域信號頻域信號頻域信號信號與系統(tǒng)初步 (續(xù)) 模擬信號電壓信號電壓信號溫度溫度壓力壓力流量流量應(yīng)力應(yīng)力DC精度精度頻域信號頻域信號振動振動語音語音聲吶聲吶分辨率分辨率采樣頻率采

2、樣頻率精度精度觸發(fā)觸發(fā)對采集卡的要求對采集卡的要求時域信號時域信號雷達回波雷達回波血壓變化血壓變化汽車點火波形汽車點火波形分辨率分辨率采樣頻率采樣頻率精度精度觸發(fā)觸發(fā)0.985ttf信號與系統(tǒng)初步 (續(xù)) 數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號開關(guān)信號輸入：輸入：檢測一個開關(guān)的打開檢測一個開關(guān)的打開/閉合閉合輸出：輸出：打開打開/關(guān)閉一個閥門關(guān)閉一個閥門驅(qū)動能力驅(qū)動能力通道數(shù)通道數(shù)脈沖隊列脈沖隊列輸入：輸入：讀光編碼器的輸出信號讀光編碼器的輸出信號輸出：輸出：產(chǎn)生一個方波產(chǎn)生一個方波時鐘頻率時鐘頻率對采集卡的要求對采集卡的要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述信號調(diào)理傳感器/ 信號數(shù)據(jù)采集硬件I

3、/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(gòu)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)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(shè)備類型部分常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(xué)實驗與學(xué)生練習(xí) 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PXI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(diào)理與數(shù)據(jù)采集（接線端后面）舉例舉例: 用于教學(xué)實驗的用于教學(xué)實驗的NI ELV

4、IS 一種集成了12種儀器的教學(xué)實驗設(shè)備 安裝NI-ELVIS驅(qū)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(shè)備 用于學(xué)習(xí)虛擬儀器（尤其是數(shù)據(jù)采集）的相關(guān)編程技術(shù)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(shè)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(jié)構(gòu)形式的確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定常

5、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(zhuǎn)換器多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)形式可以對各通道輸入信號這種結(jié)構(gòu)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)采集。數(shù)據(jù)采集。多通道多通道A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。通過多路開關(guān)分，對各路信號轉(zhuǎn)換器。通

6、過多路開關(guān)分，對各路信號分時進行分時進行A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。能夠?qū)崿F(xiàn)。能夠?qū)崿F(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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器。工作時，轉(zhuǎn)換器。工作時，通過多路開關(guān)將各路信號分時切換，輸入到公用的通過多路開關(guān)將各路信號分時切換，輸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)

7、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(yīng)用場合。的應(yīng)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 3.5.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和器件選擇系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和器件選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標：l被采集信號的特點l系統(tǒng)響應(yīng)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(shù)指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)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：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

8、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 uV24167772160.0000060%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(shù)指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標2.系統(tǒng)精度：當系統(tǒng)工

9、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(zhuǎn)換精度。子樣的轉(zhuǎn)換精度。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內(nèi)所完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒

10、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。可采集的子樣數(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(shù)指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)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

11、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A(chǔ)fmax與幅度最小頻率分量的幅值與幅度最小頻率分量的幅值A(chǔ)fmin之比的分貝數(shù)。瞬之比的分貝數(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(shù)指標數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標5.非線性失真（諧波

12、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次諧波的振幅。次諧波的振幅。%100.2322212322AAAAAH多路模擬開關(guān)的選擇要點多路模擬開關(guān)的選擇要點 選擇多路模擬開關(guān)時，應(yīng)充分考慮信號的特點及系統(tǒng)特性，盡量選擇導(dǎo)通電阻

13、小、漏電電流小、切換速度快的芯片，同時應(yīng)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(zhuǎn)換器的選擇要點轉(zhuǎn)換器的選擇要點采用A/D轉(zhuǎn)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(fù)原的越好，也即實時性越好。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，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(zhuǎn)換精度。對于復(fù)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

14、寬、A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換前向通道的總誤差應(yīng)小于等于A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差，否則選取高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器也沒有實際意義。 孔徑誤差。A/D轉(zhuǎn)換是一個動態(tài)的過程，需要一定的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器具有與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度。否則，就應(yīng)該在A/D轉(zhuǎn)換器前加入采樣/保持電路以滿足系統(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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間確定。在模擬信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有正常

15、順序和重疊兩種采集方式，采用低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器、減少模/數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應(yīng)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(zhuǎn)換器的精度取0.05%0。1%即可，相應(yīng)的二進制碼為1011位，加上符號位，即為1112位。當有特殊的應(yīng)用時，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。 （2）如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)就是每秒鐘能

16、完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時，應(yīng)考慮系統(tǒng)的采樣速率。 例如，如果用轉(zhuǎn)換時間為100us的A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號。把轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的位數(shù)以及如何確定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)以及如何確定A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，詳細公式和實例說明見書換器的轉(zhuǎn)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)

17、的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的分類方法有以下幾種：l根據(jù)適應(yīng)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(zhì)：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(jié)構(gòu)方式：單通道及多通道輸入方式。高速數(shù)據(jù)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(wù)是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)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(jié)果。同時將計算得到波形

18、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(jié)構(gòu)形式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(luò)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)據(jù)直接保存在內(nèi)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(zhuǎn)換芯片、SDRAM動態(tài)數(shù)據(jù)存儲元件

19、、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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。AD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(zhuǎn)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(yīng)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(lǐng)域里應(yīng)用并有利于促進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)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