信號的采集與處理

信號的采集與處理主講人：王堅(jiān)2021/10/10星期日1.引言

隨著數(shù)字信號處理理論和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)研究全都需要借助數(shù)字處理方法，而進(jìn)行數(shù)字處理方法的先決條件是將所有的研究對象進(jìn)行數(shù)字化，也就是所謂的數(shù)據(jù)采集與處理。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是以前段的模擬信號處理、數(shù)字化、數(shù)字信號處理和計(jì)算機(jī)等高科技為技術(shù)形成的一門綜合技術(shù)。它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于圖像處理、振動(dòng)測試、語音信號分析和瞬態(tài)信號分析等多個(gè)領(lǐng)域。所以它也成為研究領(lǐng)域中必不可少的一門技術(shù)。2021/10/10星期日2.信號模擬信號模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號?；蛟谝欢芜B續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。模擬信號分布于自然界的各個(gè)角落，如每天溫度的變化。電學(xué)上的模擬信號主要是指幅度和相位都連續(xù)的電信號，此信號可以被模擬電路進(jìn)行各種運(yùn)算，如放大，相加，相乘等。數(shù)字信號數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來表示?，F(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復(fù)雜的信號處理都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把解決問題的方法用數(shù)學(xué)公式表示，就能用計(jì)算機(jī)來處理代表物理量的數(shù)字信號。兩者區(qū)別①模擬信號是用模擬量的電壓或電流來表示的信號，時(shí)間上是連續(xù)的，幅度變化也是連續(xù)的。②數(shù)字信號是通過0和1的數(shù)字串所構(gòu)成的數(shù)字流來傳輸?shù)模茸兓翘兊摹?021/10/10星期日3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理步驟如下：傳感器調(diào)理通道采樣保持器單片機(jī)電平轉(zhuǎn)換電路計(jì)算機(jī)AD轉(zhuǎn)換器對象物理信號電信號電信號電信號數(shù)字信號2021/10/10星期日4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。調(diào)理通道：完成模擬信號的衰減、放大、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)和線性化等功能。采樣保持器：保證A/D轉(zhuǎn)換過程中信號的穩(wěn)定。A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)子量。單片機(jī)：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電平轉(zhuǎn)換電路：將TTL電平1轉(zhuǎn)換成RS232C2電平。計(jì)算機(jī)：接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

備注:1:晶體管-晶體管邏輯電平；2：一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)2021/10/10星期日5.傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器的主要功能是接受物理信號然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?021/10/10星期日6.調(diào)理通道1.放大電路微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，也就是使調(diào)理后信號的最大電壓值和ADC1的最大輸入值相等，這樣可以提高精度。同時(shí)，高分辨率可以降低高放大倍數(shù)要求并可以提高較寬的動(dòng)態(tài)范圍。儀器信號調(diào)理的前端系統(tǒng)有幾種放大模式，靠近傳感器的微弱信號經(jīng)過放大增益，最后只把大信號送給計(jì)算機(jī)，以使噪聲影響減到最小。放大器直流放大器交流放大器電荷放大器電橋

時(shí)間域頻率域幅度增大低頻保留,高頻截止幅度增大高頻保留,低頻截止

電荷增大△ZV備注:1:數(shù)模轉(zhuǎn)換（介紹）（介紹）2021/10/10星期日7.調(diào)理通道1.放大電路1.1直流放大電路1)反相放大器

反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:反饋電阻RF值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源Ui的內(nèi)阻。2021/10/10星期日8.調(diào)理通道1.放大電路1.1直流放大電路1)同向放大器

同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。

2021/10/10星期日9.調(diào)理通道1.放大電路1.2交流放大電路若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。

R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。

2021/10/10星期日10.調(diào)理通道2.濾波電路濾波可以消除噪聲和不必要的干擾，噪聲濾波器通常用于輸入的信號是直流信號。許多儀器信號調(diào)理模塊都有合適的低通濾波器。交流信號通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一個(gè)陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號。濾波器低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器低通帶通高通帶阻2021/10/10星期日11.調(diào)理通道2.濾波電路2.1RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

2021/10/10星期日12.2)一階RC高通濾波器

2.1RC無源濾波器

3)RC帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)2021/10/10星期日13.調(diào)理通道3.隔離（屏蔽）隔離也是信號調(diào)理中的一種。從安全的角度把傳感器信號同計(jì)算機(jī)隔離開，因?yàn)楸槐O(jiān)測系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓。另一個(gè)原因是隔離可使從數(shù)據(jù)采集板出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的響。當(dāng)輸入DAQ1板的信號與得到的信號不共地時(shí)，可能產(chǎn)生較大誤差甚至損壞系統(tǒng)，而用隔離辦法就能保證信號的準(zhǔn)確。4.激勵(lì)信號調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┕ぷ麟娏?。RTDS(溫度／電阻)需要電流將電阻變化反映出來，而應(yīng)變片需要一個(gè)完備的橋式電路及電源。很多設(shè)備都提供電流源以便使用這些傳感器。5.線性化多傳感器對被測量的量都有非線性響應(yīng)，因而需要對輸出信號進(jìn)行線性化。備注:1:數(shù)據(jù)采集2021/10/10星期日14.采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，而在轉(zhuǎn)換期間希望A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號電壓保持不變，才能保證正確的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號的頻率較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，為了防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換之前將信號的電平保持，轉(zhuǎn)換之后又能跟蹤輸入信號的變化，保證較高的轉(zhuǎn)換精度。為此，需要利用采樣保持器來實(shí)現(xiàn)。1.采樣保持

采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的原理實(shí)現(xiàn)的(圖3—33)。采樣保持動(dòng)作由兩種模式構(gòu)成；一種是采樣模式，即采樣保持的輸出跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。2021/10/10星期日15.采樣保持器1.采樣保持

在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬間，輸入值和輸出值不一樣，需經(jīng)過一段時(shí)間，兩值才能達(dá)到一致，這就是滯后現(xiàn)象，如圖3—34所示，圖中Ts表示開關(guān)滯后，TA表示穩(wěn)定時(shí)間。進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，一轉(zhuǎn)換到保持模式、這時(shí)的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。2021/10/10星期日16.2.采樣定理采樣保持器2.1采樣信號的頻譜

采樣過程是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘來．采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)圖譜2021/10/10星期日17.采樣保持器2.采樣定理2.2

頻混現(xiàn)象時(shí)域解釋頻域解釋2021/10/10星期日18.采樣保持器2.采樣定理2.3

采樣定理為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs＞2fmax

或者Tmax＞2Ts需要注意的是，在對信號進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時(shí)，可以完全變換為原時(shí)域采樣信號xs(t)，而不能保證此時(shí)的采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。2021/10/10星期日19.采樣保持器3.采樣方式數(shù)字化采樣方式實(shí)時(shí)采樣順序采樣隨機(jī)采樣等效采樣2021/10/10星期日20.A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換是外部世界模擬信號和計(jì)算機(jī)之間聯(lián)系的接口。它將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲、控制和顯示。A/D轉(zhuǎn)換器件的種類非常多，其實(shí)現(xiàn)方式主要有逐次逼近式，雙積分式，計(jì)數(shù)式、并行式等。比較常用的有雙積分和逐次逼近式兩種。什么是A/D轉(zhuǎn)換？

A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方式？2021/10/10星期日21.A/D轉(zhuǎn)換器1.A/D轉(zhuǎn)換器類型1.1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器包括比較器、控制電路、逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。其基本原理是逐次逼近寄存器各位首先清”0”，然后設(shè)置最高位為”1”形成第一個(gè)試探值。該試探值通過D/A轉(zhuǎn)換器后與待測量電壓進(jìn)行比較。如果待測量電壓高于試探電壓，則保持最高位不變；反之，則將最高位設(shè)置為”0”。然后將逼近寄存器的次高位設(shè)置為”1”，繼續(xù)上述試探過程。通過從高位到低位地不斷試探逼近寄存器各位值，最后得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度比較快，分辨率也較高，但是抗干擾能力比較差。逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換原理圖2021/10/10星期日22.A/D轉(zhuǎn)換器1.A/D轉(zhuǎn)換器類型1.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程包括兩步：1）對輸入電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，獲得一個(gè)輸出電壓V0；2）對V0通過參考電壓進(jìn)行反積分，使其降低為0V，并統(tǒng)計(jì)反積分時(shí)間。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾能力比較強(qiáng)，性能穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)換速度比較慢。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖2021/10/10星期日23.A/D轉(zhuǎn)換器2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)量程，指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，可以分為單極型和雙極型兩種。分辨率(LSB)，指A/D轉(zhuǎn)換器所分辯的最小模擬輸入量。n位A/D轉(zhuǎn)換器能反應(yīng)1/2n滿量程的模擬輸入電平。精度，包括絕對精度和相對精度兩種。其中絕對精度是指在A/D轉(zhuǎn)換器輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字量時(shí)，其實(shí)際模擬輸入值同理想值之差，相對精度是指在滿量程值已經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，在量程范圍內(nèi)任意數(shù)字量輸出，所對應(yīng)的模擬量輸入值與理論值之差。轉(zhuǎn)換時(shí)間，指從發(fā)出啟動(dòng)命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號為止所需要的時(shí)間間隔。2021/10/10星期日24.A/D轉(zhuǎn)換器2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)例1：S3C2410中的A/D轉(zhuǎn)換器8路10位，并支持觸摸屏功能。精度位1.5位，量程為0~3.3V，最大轉(zhuǎn)換速率為500K。例2：8位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器ADC0809例1例22021/10/10星期日25.A/D轉(zhuǎn)換器3.模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例采集一個(gè)頻率為20KHz的信號，要求要分辨到2mV電壓，信號電壓的輸入范圍是0-5V，試根據(jù)下表確定A/D轉(zhuǎn)換器的型號

芯片型號分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間模擬輸入范圍ADC08098位100

s0-5VAD574A12位25

s0-10V,±5V,0-20V,±10VAD67914位10

s0-10V,±5V信號電壓的輸入范圍是0-5V：ADC0809、AD574A、AD679均可信號頻率為20KHz，周期為50

s：根據(jù)采樣定理AD574A、AD679均可最小分辨電壓

ADC0809：5/28=19.5mVAD574A：10/212=2.44mVAD679：10/214=0.61mV應(yīng)該選AD6792021/10/10星期日26.單片機(jī)單片機(jī)（Singlechipmicrocomputer）微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），單片機(jī)芯片常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)2021/10/10星期日27.單片機(jī)1.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口2021/10/10星期日28.單片機(jī)2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程查詢方式：2021/10/10星期日29.定時(shí)采樣方式

向A／D發(fā)出啟動(dòng)脈沖信號后，先進(jìn)行軟件延時(shí)．延時(shí)時(shí)間取決于轉(zhuǎn)換時(shí)間(例如0809為100um)，延時(shí)結(jié)束后直接從A／D口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此這種方式比查詢方式轉(zhuǎn)換速度更慢，故應(yīng)用較少。中斷方式在前兩種方式中，A／D采樣過程中都要占用CPU大量的工作時(shí)間、降低廠CPU的工作效率。在實(shí)時(shí)性要求高，控制口較多的情況下須采用中斷方式。在這種采樣方式中，當(dāng)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換后，CPU可處理其它事務(wù)，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由A／D芯片向CPU發(fā)出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷申請，CPU響應(yīng)中斷后，便進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行“讀A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果”的操作。這樣，CPU和A／D芯片在時(shí)間上是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。單片機(jī)2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程2021/10/10星期日30.單片機(jī)2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程2021/10/10星期日31.單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊1.1同步通訊1.2異步通訊同步通信方式是指在發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘頻率與接收頻率一致的條件下，發(fā)送設(shè)備發(fā)出一個(gè)同步碼后，隨之自動(dòng)發(fā)送一組數(shù)據(jù)的方式，同步通信方式屬于一種連續(xù)傳送數(shù)據(jù)的方式，適用于大批量數(shù)據(jù)傳送。其特點(diǎn)是傳送速率高，但要求收發(fā)雙方的時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。異步通信方式的數(shù)據(jù)是一幀一幀的傳送，每一幀數(shù)據(jù)由一個(gè)起始位、5~8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、1~2個(gè)停止位組成。1.通訊介紹2021/10/10星期日32.單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)在1969年公布助數(shù)據(jù)通信標(biāo)淮。RS是推薦標(biāo)準(zhǔn)(Relommendedstardard)的英文縮寫，232—C是標(biāo)準(zhǔn)號。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)在引線連接上采用24針D型插座，其中有20個(gè)引腳對應(yīng)串行通信使用的信號，在微機(jī)通信中最常用的是其中9個(gè)通信信號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。2.RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)2021/10/10星期日33.單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊MCS.51單片機(jī)有一個(gè)全雙