數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識

數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌北京凌華技術(shù)支持部內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步基本定義A/DD/ADIOTimer/Counter信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101…數(shù)字輸入數(shù)字信號處理1101…數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出信號與系統(tǒng)初步(續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率onofft1-0-t0.985ttf信號模擬量數(shù)字量開/關(guān)信號脈沖隊列直流信號時域信號頻域信號信號與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號輸入：檢測一個開關(guān)的打開/閉合輸出：打開/關(guān)閉一個閥門驅(qū)動能力通道數(shù)脈沖隊列輸入：讀光編碼器的輸出信號輸出：產(chǎn)生一個方波時鐘頻率對采集卡的要求信號與系統(tǒng)初步(續(xù))模擬信號電壓信號溫度壓力流量應(yīng)力DC精度頻域信號振動語音聲吶分辨率采樣頻率精度觸發(fā)對采集卡的要求時域信號雷達(dá)回波血壓變化汽車點火波形分辨率采樣頻率精度觸發(fā)0.985ttf信號采集傳感器信號調(diào)理放大濾波信號轉(zhuǎn)換……將外部信號采入計算機(jī)，并加以處理，最后輸出采樣頻率、抗混頻濾波器和樣本數(shù)奶奎斯特頻率：給定采樣頻率那么能正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率?；祛l：由于采樣頻率太低而使得還原的信號頻率與原信號頻率不同，這種畸變稱為混頻?？够祛l濾波器：在信號被A/D轉(zhuǎn)換前讓信號經(jīng)過一個能將高于奶奎斯特的信號成分濾除掉的低通濾波器。工程實踐中按照信號最高頻率成分的5—10倍進(jìn)行采樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換BUFFER/FIFO驅(qū)動程序內(nèi)存/BUFFER程序顯示硬件外觸發(fā)信號數(shù)據(jù)采集是否需要板上的BUFFER?數(shù)據(jù)采集是否需要使用外觸發(fā)啟動、停止或同步？緩沖和觸發(fā)緩沖指計算機(jī)中的BUFFER，板上的不能保存數(shù)據(jù)。如果所使用DAQ卡上有DMA那就直接進(jìn)入計算機(jī)內(nèi)存了。在以下幾種情況需要使用BUFFER:1.需要采集許多樣本，其速率超過顯示或處理速度的。

2.需要連續(xù)采集并且同時進(jìn)行分析和顯示數(shù)據(jù)的。

3.采樣周期必須準(zhǔn)確均勻通過樣本的。在下列情況不適用BUFFER:1.數(shù)據(jù)短小每秒只采集有限點的。

2.需要縮減存儲器開支的。觸發(fā)可以分為軟觸發(fā)和硬件觸發(fā)。1.當(dāng)用戶需要對所有采集操作有明確的控制并且事件定時不需要非常準(zhǔn)確的采用軟觸發(fā)。2.當(dāng)采集事件需要定時非常準(zhǔn)確、用戶削減軟件開支或采集事件需要與外部裝置同步時可以考慮采用硬件觸發(fā)。典型物理量的經(jīng)驗采樣周期被測物理量采樣周期（秒）流量1--2壓力3--5液位6--8溫度10--15成分15--20采樣技術(shù)常規(guī)采樣：變化緩慢信號間歇采樣：高速數(shù)據(jù)采集變頻采樣：得明確信號隨時間變化的關(guān)系下采樣：即帶通采樣，適合于當(dāng)被采集信號中最低頻率大于最高頻率一半時，可以采用。模擬信號的采樣方式無條件采樣：A/D轉(zhuǎn)換時刻準(zhǔn)備好的情況。包含定時采樣和變步長采樣。便于信號顯示。無需控制信號介入。條件采樣：程序查詢、中斷控制方式。中斷方式：不適合信號源多的情況，適合一兩個特別重要信號不許錯過的情況。查詢方式：能夠等待或一個系統(tǒng)只是實現(xiàn)采集信號時可以使用。直接存儲器存取DMA：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多路開關(guān)電子式的多路開關(guān)可以分為雙極型晶體管、場效應(yīng)管開關(guān)、集成電路開關(guān)三種。第一種開關(guān)速度快但漏電流大、開路電阻小如果信號源內(nèi)阻大轉(zhuǎn)換精度不高。把場效應(yīng)管開關(guān)和計數(shù)器、譯碼器、控制電路做成一片就是集成多路開關(guān)。集成的多路開關(guān)有帶譯碼的和不帶譯碼的。有一對多的，也有既可一對多也可多對一的。其中AD7501、AD7502、AD7503是多對一的，而CD4501/CD4502則屬于后者。多路開關(guān)配置時有單端接法和雙端接法。當(dāng)信號源信噪比小時采用后者，注意前者是將所有輸入信號均參考一個公共地，即各信號噪聲一樣，否則引入差模干擾。多路開關(guān)從一個通道切換到另一個通道時，建議軟件延時，以防轉(zhuǎn)換時的瞬變尖峰電壓。即消抖。多路開關(guān)可以擴(kuò)展使用以增加通道數(shù)目。在自動數(shù)據(jù)采集中，應(yīng)選用“先斷后通”的多路開關(guān)。否則，就會發(fā)生兩個通道短接的現(xiàn)象，嚴(yán)重時會損壞信號源或多路開關(guān)自身。PCBased信號采集系統(tǒng)PCBase數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換）DIO（數(shù)字量輸入/輸出）Timer/Counter（定時器/計數(shù)器）基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號采樣頻率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸入范圍(InputRange)(增益)：同步采樣(Simultaneousanaloginput)輪詢采樣(Multiplexanaloginput)突發(fā)模式采樣(Burstmode)觸發(fā)模式(Triggermode)隔離(Isolation)FIFO……A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時鐘數(shù)字量輸出A/D轉(zhuǎn)換過程--多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1.信號源控制

通道數(shù)

信號類型(SE/DI)

信號范圍

自動通道掃描2.觸發(fā)源控制

觸發(fā)信號源

采樣頻率3.A/D數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)寄存器FIFO緩沖區(qū)AT總線或PCI總線內(nèi)存(Buffer)4.數(shù)據(jù)傳輸I/O指令DMA

總線主控中斷信號CPU5.中斷信號控制6.A/D分辨率與數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)位數(shù)

二進(jìn)制代碼或補(bǔ)碼

單極性或雙極性7.隔離與非隔離A/D轉(zhuǎn)換的過程--同步板卡模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器nPCI總線內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器n…模擬信號模擬信號A/D基本定義信號的頻率代表信號變化快慢的物理量任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號頻率不同：語音：<4kHz音樂：<20kHz超聲：20kHz~xxMHzFM收音機(jī)：MHz雷達(dá)：xGHz…A/D基本定義采樣頻率采樣周期的倒數(shù)表示采樣快慢的物理量多少時間采一個點/每秒采樣多少個點Nyquist采樣定律：fs>=2*fmaxfs：采樣頻率

fmax：信號最高頻率一般最小為fs>=2.5*fmax工程上一般取為fs>=6~8*fmax采樣定律的特例等效時間采樣A/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果

過低采樣率下的采樣結(jié)果

A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半信號中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias）混頻偏差（aliasfrequency）＝ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率）解決方案在A/D前加入低通濾波器，將信號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去稱為抗混疊濾波器A/D基本定義采樣頻率的控制SoftPolling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實現(xiàn)）TimerPacer（由8254定時器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時鐘）例如：頻率=2MHz時鐘/（C1*C2）（這里的C1與C2是16位定時器的分頻系數(shù)）ExternalCLK/Trig（外部時鐘）三種方式的特點軟件觸發(fā)最為簡單、易用，但無法精確控制采樣時序，適用于對時序要求不甚嚴(yán)格的場合，如采集DC信號內(nèi)部時鐘能夠精確控制采樣時序，但無法保證與外部信號嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無論時域還是頻域）均能夠滿足要求外部時鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求CLK與TriggerA/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事件的方法MNN延時觸發(fā)預(yù)觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負(fù)沿觸發(fā)觸發(fā)事件A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）用戶需要對所有采集事件進(jìn)行明確控制時間要求不甚嚴(yán)格下列情況適用硬件觸發(fā)模式采集事件需要與外部裝置嚴(yán)格同步高速、瞬態(tài)采集事件A/D基本定義多通道采樣同步采樣采用多個A/D芯片，不同通道采用同一時鐘保證不同通道的采樣時間相同（信號同步）輪詢采樣只采用一個A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)不同通道的切換通道轉(zhuǎn)換時間可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步突發(fā)模式采樣用通道時鐘控制通道間的時間間隔用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔A/D基本定義信號類型從信號端來講，信號分為接地信號浮空信號從信號輸入端來講，輸入方式分為差分輸入（DI）參考地單端輸入（RSE）無參考地單端輸入（NRSE）一般來講，浮空信號和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合A/D基本定義接地信號的測量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會引入較大誤差接地回路通常會在測量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾如果信號電壓很高并且信號源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE輸入方式A/D基本定義浮空信號的測量可以用差分、RSE、NRSE方式測量浮空信號在差分輸入時，必須保證相對于測量地的信號共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測量端與測量地之間連接偏置電阻10Kohm<R1=R2<100Kohm信號為直流時，僅需要R2；若為交流信號，則R1、R2均為必需A/D基本定義幾種信號輸入方式的特點差分輸入可避免接地回路干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾NRSE可避免接地回路干擾RSE最簡單，若信號滿足下列條件，可選擇RSE輸入輸入信號幅值較大，一般需>1V連線比較短，一般<5m環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好所有輸入信號都與信號源共地否則建議選用差分輸入方式總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇A/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號的幅度/輸入信號的放大倍數(shù)單極性與雙極性雙極性：e.x.-10V~+10V(20V范圍)單極性：e.x.0V~+5V(5V范圍)跳線設(shè)置或編程設(shè)置可編程增益對于大信號應(yīng)用：普通增益（1,2,4,8）對于小信號應(yīng)用：高增益（1,10,100,1000）例如：輸入電壓范圍：+/-10V,普通增益可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VA/D基本定義采樣精度/分辨率