（分析化学专业论文）用avr控制实现数据采集系统.pdf

摘要 摘要 数据采集系统是将传感器输出的模拟信号进行采集转换成数字信号，然后送 入计算枧进行处理，并按需要的形式输出处理结果。随着计算枧技术和电子信息 技术的高速发展，数据采集结合先进的电子技术，已经能利用软件来处理大量测 量数据。近年来，对于数据采集系统的要求与日俱增，数据采集系统有着非常良 好的应用前景。如今的数据采集技术己渗透到分析仪器、地质勘探、医疗器械、 雷达、通讯、测控等技术领域。 在分析仪器中使用数据采集系统近几年也非常快速的发展起来。用数据采集 系统对化学信号变化进行采集，能达到很高的精度和灵敏度。特别是在对那些速 度变化快，信号电压变化微弱的化学数据的采集及处理上，数据采集系统较之 x y 记录仪的优越性就充分的体现出来了。 本论文的主要工作是研究了数据采集的基本理论并开发研制了应用于分析 化学中的一套数据采集系统。论文分以下几个部分： 第一章绪论 详细的介绍了数据采集系统与测量的关系，数据采集系统的发展，研发数 据采集系统的任务和要求以及数据采集的基本理论。最后阐述了本论文的目的和 意义，指出论文的创新之处及主要研究内容。 第二章系统分析及总体设计方案 介绍了系统的应用环境以及在此基础上确立的系统总体设计方案的研究。对 整个数据采集系统的构架以及主要组成模块做了详细的说明。并着重讲述了此系 统在设计上的一些优点。 第三章系统硬件设计及实现 详细研究并开发系统的硬件各部分组成，包括a d 系统，放大隔离系统以及 单片机控制系统。对于硬件的每个模块都给出了详细的设计和实现说明，并给出 了具体的电路图。 第四章系统软件设计及实现 对系统的软件模块进行了分类以及对各子模块的功能进行了设计。其中包括 主程序的设计，中断程序的设计，对s p i 通讯模式的改写以及一些功能程序模块 摘要 的加强。 第五章系统开发测试结果与分析 对系统开发测试的结果与分析。包括数据采集系统p c b 电路板开发，对a d 模块的数据采集测试，各个模块的实物图。用试验数据论证了设计模块的运行有 效性。 关键词：测量；a d 采样；隔离放大；数据采集；s p i ；u s b 通讯：p c b 电路板 l i a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sas y s t e mt h a t 、v o r k sa sf o l l o w i n gs t e p s ：g e tt h ea n a l o g s j g n a l sf o ms e n s or ，a n dt r a l l s l a t ei n t od i g i t a ls i g n a l s ，m e ns e n dt h ed i g i t a ls i g n a l si n t o t h ec o m p u t e rf o rp r o c e s s i n g ，a tl a s te x p o r tt h er e s u l t ea st h er e q u i r i n gf o r m a t a st h e d e v e l o p i n go fm ec 0 1 n p u t e rt e c h n i ca n de l e c t r o n i ci n f 。订n a t i o nt e c h n i c ，t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mc o n b i n e d 、v i t ha d v a n c e de 1 e c t r o n i ct e c l l l l i cc 叫1 dd e a l 、v i t hv a s t p r o c e s sd a t a n o 、v a d a y s ，t l l ed a t a a c q u i r h l gt e c h n 0 1 0 9 yi su s e di nm a l l yf i e l d ss u c h a sa n a l ”i c a li n s t m m e 酏g e o l o g yr e c o n n o i t e r ，m e d i c a lt r e a t n l e mi n s 仃u r n e n t ，r a d 鸥 a n dc o m m u n j c a t i o ne t c i ti s d e v e l o p e dv e r yq u j c k l yt h a tu s i n g d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi n a n a l y s i s e q u i p m e n t e s p e c i a l l y ，w h e nt 1 1 ec h e m i c a ip r o c e s sd a t ai sn u c t u 8 工1 ta 1 1 dt h es i g n a l s v o l t a g ei sf a i m ，i tc o u l db em u c hm o r ea c c u r a t ei i ld a t a - a c q u i r i n ga 1 1 dp r o c e s s i n g 也a nx yr e g i s t e l t h ed i s s e r t a t i o nm a i ni n t r o d u c em ee s s e n c et h e o r yo ft h ed a t a - a c q u 血ga n d 也ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mc o n t r o l l e db ya v r m e g a l 6u s e di nt h ea n a l y t i c a lc h e m i s n mt h e h 1 a i nr e s e a r c hi sa sf b l l o w s ： c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n i n t r o d u c e 也er e l a t i o n s h i pb 咖v e e nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dm e a s u 瑚m m ， d e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，m i s s i o na n dr e q u i r e m e n to fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dt h e o r yo fd a t a a c q u i r i n g a tl a s ts e tf o n ht h ea i ma i l d s i g l l m c 龇1 q eo f t b j sd i s s e r t a t i o n c h a p t e r2 ：s y s t e ma n a l y s i sa n dt h ew h o l ed e s i g n i i n r o d u c et 1 1 ea p p l i c 砒i o ne n v 的m e n to fm es y s t e ma i l d 山ew h o l ed e s i g no fm e s y s t e m p a n i c u l a rd i s c u s st h et r u s so fm ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r l dt h em a i n c o m p o s i n gm o d u l eo ft h es y s t e m i n t m d u c i n gt h es u p e r i o r i t yi nt h ed e s i g no ft h e s y s t e m c h a p t e r3 ：h a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i 2 a t j o n d e t a i l e dr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt l l ea i lp a r t so f t h eh a r d v ，w h i c hi n c l u d i n g ：t h e l a b s t r a m a ds y s t e m ，t h ei s o l a t i o na 1 1 da m p l i f i e rs y s t e ma n dt h ec o n 仃o lo ft h es i n g i e c h i p s y s t e m e v e r ym o d u l eo ft h eh a r e w a r ew a sd e t a i l e dd e s i g n e da 工1 dt h ei d i o g r a p h i c c i r c u “d i a 酽a mw a sg i v e n c h a p t e r4 ：s o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n e x p a t i a t et h ed e s i g no fs o f e w a r em o d u l e so ft h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n g ：t h ed e s i g n o ft h em a i np r o g r a m m e ，也ed e s i 髓o ft h ei m e 叩tp m g r 舢e ，t h er e c o m p o s i t i o n o f t h es p ic o r 眦u n i c a t i o nm o d u l e c h a p t e r5 ：1 1 e s t i n gr e s u l ta n da n a l y s i s t h er e s u l ta i l da n a l y s eo ft h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n g ：m ed e s i 鲈o ft h ep c bc i r c u i t d i a g r 锄o ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，也et e s to fd a t a - a c q u i 血go ft h ea d m o d u l e ，也ea 唱啪e n t a t i o no f t h ev a l i d i 时o f t l l em o d u l e sb ye x p e r i m e n td a t a k e yw o r d s ：m e a s u r e ；a da c q u i s i t i o n ；i s o l a t i o na i l da m p l m e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ； s p i ；u s bc o m m u n i c “o n ；p c bc i r c u i td i a g r 锄 1 1 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：臣生壹日期：乏型：主：2 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 学位论文作者签名：定趔l 争导师签名： 日期：乏竺：查：壁 绪论 第一章绪论 1 1 测量与数据采集系统 测量是人们为了确定“描述被测对象的特征”的特征量的量值而进行的实验 过程【2 】。如描述菜物体的特征可以有长度、体积、重量、温度等特征量，为了确 定这些特征量的量值就要进行“测量”，在这个过程中通常是借助于测量工具， 将描述被测对象的某个特征量与此量的量度的单位进行比较，最后用数字和单位 符号共同表示测量的结果。古典的测量技术就是利用相应的测量工具获取外部世 界中被测的量，比如用尺予测量物体的长度等。 测量是人们认识客观物质世界，并进而改造世界的最基本的手段【1 】。因此， 测量在人类社会生存和发展的各个领域中都是至关重要的。产品的技术指标的制 定和加工过程的各个环节的质量检验，模具的精密程度，生产工具及机器的选择 和制造等等，都离不开测量。现代工业生产，用于测量的工时和费用占整个生 产所用的2 0 3 0 。至于测量在军事和国防现代化事业中的作用和重要性更 是人人皆知。 随着电子技术的不断发展，在测量中也广泛地采用了电子技术。以电子技 术为手段的测量，称为电子测量，这是从广义的角度上而言的 3 】。电子测量不仅 大大提高了测量的精度、测量的速度、测量的范围，而且许多非电量都可以通过 传感器转化为电量，然后用电子学的方法进行测量h 1 】。 当计算机技术应用到各个领域中并取得不俗表现后，测量技术又经历了一场 全面数字化的变革。传统的数据采集过程包括：测、处、管、控四个部分【5 】，应 用了计算机技术之后，这四个环节的工作在时间和空间上的界限就不再那么明显 了。换句话说，当数据采集电路通过传感器将测量值采集、量化之后，通过计算 机接口传入计算机中，利用软件来完成对大量测量数据的处理，而这一切，都因 为计算机在数字信号处理方面无可比拟的优势而能够瞬间完成【6 。数据采集硬件 和软件的集成产生了数据采集系统的概念。如下图1 1 所示： 绪论 被测量 物理量 图1 1 数据采集系统原理图 首先，借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，将其转换成电信 号，然后进行信号调理和a d 转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处 理的数字信号。 1 。2 数据采集系统的发展 作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面方面的影响。比如： 测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术，以及在实践中不断提出的新要求， 这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。 测量技术在其发展过程中，会不断产生新的测量需求，对测量数据的多样性 及准确性的要求也正在逐步提高。作为信息源头的传感器对计量测试技术的发展 有着重要作用。在2 l 世纪，传感器在多功能性和智能性方向的发展仍将对测量 技术的发展产生深刻的影响。 在当今网络化时代，以因特网为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了 前所未有的突破和成功，测量技术的发展当然也离不开互连网。网络化测量和( 对 网中仪器设备的) 控制技术正随着网络的发展而迅速发展，其优势令人瞩目。凭 借自身优良的性能，网络化测量和控制已经成为测量技术发展的必然趋势。 现代控制技术的发展对测量技术不断提出了新要求。 ( 1 ) 随着科技的快速发展，现代生产的自动化程度在提高，技术难度在增 加，采用的控制技术、控制系统的组成和方式都在不断变化，各类控制系统和装 置没有完善的检测手段是不可能适应要求的。 ( 2 ) 从当前世界自动化技术的发展趋势看现代控制技术趋于全程化。即 在生产( 或制造) 过程的全部时间领域内实现在线控制和管理。这意味着过程控制 系统将提供工厂设备在其生产周期内的完整数据，以保证对每目的操作运行的优 2 绪论 化。 ( 3 ) 现代控制技术应用人工智能技术( 模糊逻辑呷】、人工神经网、专家系统、 模式识别”“、遗传算法和小波分析) 对生产过程参数进行测量，以提高控制精度， 保证品质 ”1 。 。 ( 4 ) 传统的工业控制技术主要是对设备和生产过程的控制。今天，除了复 杂生产过程仍然是人们研究应用的重要对象以外，现代控制技术的应用已经扩展 到企业产品的设计过程、管理过程以及企业间的资源分配和优化，如现代物流、 供需链管理、电子商务等。 这些都对测量技术的发展提出了更新、更高的要求：测量的方法、可测量的 种类和范围应不断拓宽和更新，准确度要提高。可见，现代控制技术对计量测试 技术的发展至关重要。现代控制技术的长足发展以及它所产生的测量需求已成为 测量技术发展的不竭动力，正不断地促进和推动着计量测试技术的发展。 简而言之，数据采集系统的发展离不开测量技术的发展，网络化测量和控制 是其发展的必然趋势。 1 3 数据采集系统的任务和要求 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字信 号，并送入计算机进行存储、处理、和输出处理结果过程。实现数据采集的系统 称为数据采集系统。由此可见，数据采集系统的任务就是将传感器输出的模拟信 号进行采集转换成数字信号，然后送入计算机或专用信号处理设备进行处理，并 可按需要的形式输出处理结果。 随着计算机技术的迅速发展和普及，数据采集系统的应用越来越广泛。在工 业生产过程中，数据采集系统可用来实现生产过程的实时监控。在科学研究中， 数据采集系统用来实现对研究目标的定量分析和动态模拟。数据采集技术已渗透 到地质勘探、医疗器械、雷达、通讯、测控等技术领域。 随着数字硬件的开发和制造技术的发展，越来越多的传统模拟设备和系统被 数字硬件和软件所代替。数字化处理有着极大的优越性。数字化处理使处理精度 提高，并且为处理提供了更大的灵活性。提高系统的性能；便于对信息进行加密， 从而提高信息的安全性；对信息进行信道编码可以抵御信道干扰和噪声的影响， 提高信道质量。 在实际应用中，对数字采集系统的主要要求是速度和精度。速度由采样率来 反映，采样率由被采集模拟信号的带宽决定。应用于现代雷达数字信号处理技术 和软件无线电技术领域的数据采集系统，其采样率可高达几百m s p s ( m e g a s y m b o i sp e s e c o 耐兆符号，秒) 。灵敏度由分辨率决定，一般认为，在 绪论 8 0 d b 的动态范围要求下，分辨率应不低于1 2 位。 1 4 数据采集的基本理论 1 4 1 数据采集技术概述 “数据采集”是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量，再进行存储、处 理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 l 穰熬尊麟 西国 。蔓- 臻一爹一。； 灌 冷 _ 二 i 谦 i 鍪： 裳：j 程 囊 = ”娶”i ? 控誊 | _ _ 獯殛邋攀薹 盔磅 唏 藏i鸯 夫i j 豢! 妻j 。 一- “二 i i 季“- 貔薹j ，薹 薄d 楚蝴獭弘惫 ：i 麟j i 蛹鞠蹲 i 羹曩然一曩。 ! ! 墓誊 图1 2 数据采集系统框图 图1 2 是典型的数据采集系统硬件框图。模拟输入信号经过模拟多路开关， 程控放大器，进入模拟数字转换器( a d c ) 转换为计算机可以接受的数字信号， 计算机对数字信号进行存储和处理，并对对结果进行显示，打印。 上图假设数据采集系统对多路模拟量进行采集。一般是在不要求高速采集的 场合，可使用公共的a d 转换器，用模拟多路开关轮流切换各路模拟量与a d 转换器之间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到 刖d ，从而实现分时转换的目的。 程控放大器的作用是对模拟输入信号进行调理，以便充分利用a d 转换器 的输入电压范围“”。也就是说，为了能充分利用a d 转换器的分辨率，即转 换器输出的数字位数，应把模拟输入信号放大到与d 转换器满量程电压相应 的电平值。一般通用多路数据采集系统各通道的模拟信号电压可能有较大差异， 因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍数可以 实时控制改变。程控放大器能够实现这个要求，就在于它的放大倍数随时可以由 一组数码控制”，这样，在多路开关改变其通道序号时，控制放大器也由相应的 一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最适合的放大倍数m 】。 图1 3 是一种带缓存的单路输入的高速数据采集系统p q 。由于采样速率高， 4 绪论 所以采用一个a d 变换器转换一路信号的方式，并且常常将数据在读入计算机 或处理设备之前加以缓存。对于这类高速刖d 变换器，输出一般分两路输出， 交替给出转换数据以降低速率f 2 1 l 。 图1 3 带缓存的单路输入的高速数据采集系统 1 4 2 低通抽样定理 低通抽样定理：一个频带限制在f h 以下的连续时间信号x ( t ) ，可由相距 不大于t s = l 2 f h 的均匀时间间隔上的取样序列唯一地确定m “。 t s 称为抽样间隔，与之相应频率f s = l ，2 t s 称为抽样频率。抽样定理指出 了能够不失真地恢复原信号x ( t ) 的最大抽样间隔或最低抽样频率： 霉s 了 或工2 疗 ( 1 1 ) jh 能够不失真地恢复原信号的最低抽样频率f s = 2 f h 称为奈奎斯特( n y q u i s t ) 频率，与之相应的最大抽样间隔t s = 1 ，2 f h 称为奈奎斯特间隔。 如图1 ，4 所示，设带限信号为x ( t ) ，其频谱为x ( 。) ；抽样脉冲序列为一周 期信号冲击串5t ( 0 ，频谱为6t ( 。) ；抽样后得到的抽样信号为y s ，频谱为 ho ) 。 抽样的数学描述为： 只( f ) = x ( ，) 爵( f ) 由频率卷积性质可得： i ( 口) 2 去瞳( 珊) 西( ) 】 而6 t ( t ) 的频谱为： 绪论 所以有 磊( ) ：誓艺j ( 国一甩q ) j s ，= 扣咖奎旷叫 = 軎x ( 甜一n 织) ( 1 2 ) j r 蝴 蓦嘲簿l b 融k 慨磅曲娜 毒害她，毒嫩。 图1 4 抽样过程示意图 由图1 4 可见，y s 的频谱y s ( 。) 是对x ( t ) 的频谱x ( ( o ) 以s 为周期的 周期延拓。在s 2 h 的前提下，输出样值信号的频谱y s ( 。) 就不会发生混叠 现象，理论上就可以通过一个截止频率为h 的理想滤波器从y s ( 甜) 中滤除 x ( 。) ，从而恢复原信号x ( i ) 。如果，s 电h ，则y s ( ) 就发生混叠现象( 如 图1 5 ) ，以致无法从y s ( 甜) 中无失真的恢复原信号xo ，。 撇姒 图1 5 频谱混叠 6 绪 论 从频域上看，抽样后信号经过传递函数为h ( 。) 的理想低通滤波器后，其频 谱为 纵咖尝竽艺脚一：告砌) j 5 哪j 其中 嫦翟 显然，根据采样定理应当满足os 2 u h 的条件。 从时域上看，重建信号可以表达为 札绯瓢= 毒等+ 釜( 倒( 卜蚓 = 寺奎c 嘲鬻 = 砉x ( 聆疋涫( f 一即i ) ( 1 3 ) 其中： g ( f ) ：竺竺吐 ( 1 4 ) ( 1 4 ) 式称为内插函数或核函数_ 3 1 l ，( 1 3 ) 式称为内插公式1 2 5 。”。在每 个采样点m t s 上，g ( t m t s ) = 1 而g ( t - r l t s ) = o ，( n m ) ，所以其能保证各采样点上 信号不变，对于在不为n t 的这些时刻，即为各采样函数延伸叠加而成。 实际工程中常通过一个d a 变换器加低通滤波器恢复原来信息如图1 6 所示。 + 燧誓霾一懂i 邋， 图1 6 抽样信号的恢复 l 4 3 抗混叠滤波器 抗混叠滤波器的目的是将进a d c 采样的模拟信号变为带限信号，这样才能 保证采样后信号频谱不发生混叠。抗混叠滤波器的过渡带和阻带特性决定了残 7 绪论 留的带外信号的能量。理想的n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器提出了严格的、通 常是不现实的要求【l “。此时，a d c 之前的抗混叠滤波器应该对所有需要的频率 ( 0 。f h ) 全部通过，对大于矗频率之上的信号具有无穷大的衰减，这样就不会 产生频谱混叠。但是，实际的滤波器无法实现这样的特性，实际的滤波器的衰减 是从截止频率到阻带逐渐增加的，而且阻带衰减也无法达到无穷大。因此，对于 一个给定截止频率的实际滤波器，以两倍截止频率采样将产生部分频谱混叠。从 通带到阻带的过渡带越陡，采样信号由频谱混叠引起的失真就越小。通常，需要 用比较复杂的滤波器得到较陡的过渡带和较高的阻带衰减，这样的模拟滤波器实 现比较困难。另外，随着过渡带陡度的增加，相位响应变得更加非线性，这又引 起了采样信号的失真，因为信号通带内相位的失真引起信号不同频率分量产生不 同的延时，造成信号的失真。 为了缓解n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器的要求，可以适当提高采样率，即 使用过采样的方法。 1 4 4 过采样 采样率大于n y q u is t 采样率称为过采样，过采样的一个好处是采样信号频 谱的重复周期增大了，降低了对抗混叠滤波器的要求i ”。因为在信号最高频率和 二分之一采样率之间有一个缓冲带，因此在设计抗混叠滤波器时，可以放宽对滤 波器陡度的要求，因此这样的滤波器的实现比较简单，同时可以有效地降低由于 频谱混叠造成的信号失真。当然，付出的代价是，同样的输入信号条件下，需要 更高的采样率，这就对a d c 提出了更高的要求。 1 4 5 带通抽样定理 在实际工程中经常遇到带通型信号，即频谱介于r 靠的一段频带内。图 1 7 ( a ) 为一带通信号x ( t ) 的频谱，f l 为糟通信号的下截止频率，为带通信 号的上截止频率，b = “一f l 为其带宽。 如果用f 。的采样频率对其进行采样，由( 1 一1 ) 式知采样后的频谱为： 1 e ) = 砉z 劬一聍吼) j j 图1 7 ( b ) 是y 。( ) 的频谱图，从图中可以看出要使采样后频谱不发生混 叠，必须满足下式： 绪论 一盘“d 季s 五 ( 1 _ 5 ) 【一厶+ 五z 厶 。 ( 1 4 ) 式中k 为正整数，k = 1 式就成为了上一节中讨论的低通抽样定理， p 2 删即f s 2 f h 。当k 2 时，就有： 所以，对于f 。2 b 的带通信号，我们可以用小于2 “频率f 。对其进行采样， 为使采样后样值信号的频谱不混叠，采样频率f s 必须满足( 1 6 ) 式。 理论上讲，带通采样允许我们采用远低于低通采样的采样率对带通信号进行 采样，这意味着可以使用较低采样率的a d c ，进而得到更高的特性、更低的功耗 和更低的成本。同时，带通采样可以用来将一个射频段或中频段的带通信号向下 搬移为在较低中频的带通信号或基带信号【2 4 j 。一般通信系统中需要处理的信号都 是带通信号，虽然这些信号载波频率是非常高的，但是需要处理的信号相对于载 波来说频带是比较窄的，利用带通采样的方法，可以大大降低采样率，同时还可 以完成频谱搬移的过程。 譬椰) a八 一 堍) 蒲稿戡垮 氇椎鼍蘩棒 图1 7 带通信号和带通采样示意图 9 丝h 麓 1 5a d c 的工作原理 1 5 1 模数转换的过程 模拟量转换为数字量，通常分成三个步骤：采样保持、量化与编码，如图l 8 所示川a 连续的模拟信号x ( t ) ，按一定时间间隔t 。采样一保持后得到台阶信号 x s ( t ) ，再经过量化变为量化信号x 。( n t s ) ，最后编码转换为数字信号x ( n ) 。在现 代a d c 器件中，这三个步骤一般合在一个器件中完成。 x ( 1 ) 1r 繁鞯，泌苄毒 i 慕3i i i 赘纯 蔗，铆嚣 1r 螭麟 1 5 2 采样保持 x ( 善；( 图1 8 数据采集过程 所谓采样就是不断地以固定地时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。由抽样 定理可知，用数字方式处理模拟信号时，并不是用在整个作用期间的无穷多个点 的值，而是只用取样点上的值就足够了。因此，在前后两次取样的空挡时间间隔 内，可将取样所得模拟信号值暂时存放在存储介质上，通常是电容器上，以便将 它量化和编码。 模拟输入信号x ( t ) 经取样一保持后的波形x 。( t ) 如图1 9 所示。图中清楚 1 0 绪论 的表明了取样保持的物理意义。t 是取样过程的持续时间，称为孔径时间。在孔 径时间内，x 。( t ) = x ( t ) ，在保持时间内x 。( t ) 保持不变，这段时间就用来作量 化和编码。 图1 9 取样一保持波形 1 5 3 量化与编码 量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限 个数值的集合【”。模拟信号x ( t ) 经理想抽样后变成离散时间序列x ( n t s ) ，而 x ( n t s ) 的值是原模拟信号在各采样点的精确值，其取值是连续分布的，但是a d 变换中表示x ( n t s ) 用的是有限字长的二进制数，所谓量化就是指用一些不连续 的数来逼近精确采样值的过程。因此量化过程中必然存在误差，这种误差称为量 化误差p “。 在数学上，量化过程可以表示为 y i = q ( x ) = q k x x “l j ，克= l ，2 ，工 ( 1 7 ) 其中，x 为待量化输入数值，h 称为量化值( 或量化电平) ，x k 称为分层电 平( 或判决阀值) ，l 称为量化级数( 或分层数) ，q k = x k + 卜x 、称为量化间隔( 或 量化台阶) 。对于均匀量化，量化间隔为常量，即吼= q ( k = l ，2 ，l ) 。则有 绪 论 g = 等 c ，吲 其中，v m 为满量程电压( f u l ls c a l er a n g e ) ，n 为量化后数字信号的二进 制位数。 编码就是用一定位数的二进制码( 称为个码字) 来表示某一量化值 y k 2 7 侧，如图1 7 所示。如果码字长度为n ，则量化级数为： 工= 2 ” ( 1 9 ) 1 5 4 量化方法 ( 1 ) “只舍不入”的量化 图1 1 0 “只舍不入”量化过程 所谓只舍不入的量化，是指信号样本幅值中小于量化台阶q 的部分一律舍 去。如图1 1 0 所示。当k q x ( n t s ) ( k + 1 ) q ( k 为整数) 时，取量化值 x 。( n t s ) = k 日。 ( 2 ) “有舍有入”的量化 “有舍有入”量化，是信号样本幅值中不足q 2 的部分，舍去；大于或等 于q 2 的部分，计入9 ”。其过程如图1 1 l 所示。当k q q 2 x ( n t s ) k q + q 2 ( k 为整数) 时，取量化值x 。( n t s ) = k q 。 1 2 绪论 图1 1 l “有舍有入”的量化过程 1 5 5 量化误差 由量化引起的误差称为量化误差( 也称为量化噪声) ，记为e 。 8 = x ( 开) 一( 以) ( 1 一l o ) 由于实际工程中被采样信号般都是随机信号，因此e 也是随机变量，通 常又把量化误差e 称为量化噪声。量化误差e 的大小与所用的量化方法有关。 “只舍不入”法的量化特性曲线与量化误差如图3 1 l 所示，量化误差只能 是正误差，它可以取o 与q 之间的任何值，即有 0 p 口( 1 1 1 ) j_ 斥薯) 彳 翻 q彳 1fill。 f q j 融j j 、，卅1 1 1 1 。 x 研r 图1 1 2 “只舍不入”量化特性曲线与量化误差 “有舍有入”法的量化特性曲线与量化误差如图1 1 3 所示，量化误差e 有 正有负，它可以取一q 2 与q 2 之间的任意值，即有 绪论 j 伽z )矿 何幻 g 。 一 2 y里膏纽f ( 硅) 一旦 e l 的情况下，量化间隔吼足够小。量化间隔( 轧，轧+ 1 ) 内x 的 概率分布密度可以近似看作常数p ( 瓢) 。此时，输入信号值x 落第k 层量化间 隔内的概率 圪= p x k 卅) 所以 = 塞e “b 一儿r p ( x ) 出 2 轰鲁r b 咄r 出 = 砉去k 啊) 3 - 咄) 3 】c - ， 不难证明，当y k 满足下式时，量化噪声功率o 。最小。 儿：昙( 稚+ x ) ( 1 一1 7 ) 儿2 ：( 稚+ x j ( 1 一l7 ) 从( 1 1 7 ) 式可以看出，当y 。设在相邻两个判决阀值的中点，即采用“有 舍有入”量化法时，量化噪声功率o 。最小。这时有： 蠢= 击最g ； ( 卜1 8 ) 1 = l 均匀量化时：吼= q ，k = l ，2 ，l 则有： 砖= 斋骞最= 鲁 c - 一- 。， 当峰一峰值为2 v 的正弦信号输入时，信噪比为： s 碾：乓( 1 2 0 ) 其中，s 为信号平均功率，有： s ：善 ( 1 2 1 ) 1 所以将( 】一】9 ) 式与( 1 2 1 ) 式代入( 1 2 0 ) 式有： ) 5l l ( ) 靠 一 “ 吼 ) ) 靠磁 ( ( p p i i l 绪论 黜：三：婴( 1 屹) 2 q 2 如果2 v = v f s r ，即满量程输入，且量化位数为n 时，g ：婺 所以 舢：兰2 2 一 ( 1 2 3 ) 信噪比一般用分贝来表示，则有： 册氓= l o l g ( 昙2 2 ”) = 6 0 2 h + 1 7 6 ( 1 2 4 ) ( 1 2 4 ) 式表示了，在一个满量程正弦输入的情况下，理论上a d c 位数n 与信噪比s n r 的关系。 除了理论上的量化噪声之外，实际的a d c 还受到许多别的噪声地影响，因 此实际测出的信噪比s n r m 将小于理论值陋】。把实测信噪比代入( 1 2 4 ) 式， 与之对应的位数n 称为有效位数( e f f e c t i v en u m b e rb i t s ，e n o b ) ，记为e n o b 。 肋口：型型二! ：! !( 卜2 5 ) 从( 1 2 5 ) 式可知有效位数e n o b 反映了a d c 的实际信噪比，可以用来衡 量a d c 的动态性能。 一般认为在a d c 工作过程中，各采样点的量化误差之间是互不相关的，量 化噪声功率o 。均匀分布在一f 。2 到f 3 2 的范围内。 当使用奈奎斯特速率采样时，= 2 f m ( f - 为模拟信号最高频率) ，其功率谱密 度为 期2 譬2 爰 n 1 。) 如果采用过采样，f 。= 2 k f | ( k 为过采样率) ，其功率谱密度为 盯) 2 詈2 番 q - 2 7 ) ， 如图1 1 4 表示了奈奎斯特采样和过采样时的功率谱示意图1 3 4 铆1 。过采样时 量化噪声功率谱密度降为原来的l k ，由于模拟低通滤波器只需要虑除k f l 以外 的干扰，因此降低了对模拟低通滤波器的要求。又由于信号最高频率为f l ，所 以在a d c 之后可用数字低通滤波器滤除f 至k l 之间的噪声而又不影响有用 信号，从而提高了信噪比。这时量化噪声功率可由( 1 2 8 ) 计算。 = 詈 ( 1 - 2 8 ) 绪论 信噪比为 黜= 1 0 l g 兰2 2 6 0 2 珂+ 1 7 6 圳螂 “- o z 卅l ，6 “叭g 岳 cz 咽， 需要强调，当a d c 后无数字滤波器时，由于分布在( 一2 k l ，2 k ) 之内的 噪声的总功率不变，因而信噪比不会提高，此时信噪比仍由( 1 2 4 ) 计算。 骥懿傣世 瓤子销鼍 。- 蹲擅f 女睡；湛自0 聃麟 越e ”- q ! 鳢j m m 。8 t 猃晕詈2 鳓 j l 一 ( _ ) 袭囊聚特造攀蒙榉 数字滤渡黪 | |久。 压 i 榄襁滤波瓣 rvj l矿jlnl 一 婚) 凳簸掌瞻镀的过蘩样 图1 1 4 量化噪声功率谱示意图 绪论 1 6 本论文的目的和意义 对于分析化学而言，较早的数据采集也都是使用人工的办法。以往我们对化 学反应的现象与结果的大量数据都是进行人工的观测与记录。这样在观测时由于 很多因素而使精度难以提高，在记录中也加上了不少主观的因素。现在已经逐渐 被更先进的方法所取代了。 随着观察记录设备的改进，对化学反应中的参数变化采用x y 记录仪来记 录，能够同时记录两个维度，并能够直接记录反应信号强弱变化，画出曲线以供 参考。在精度上也有了量的参考。但是x y 记录仪是机械式的记录工具，由于 机械技术和工艺的限制，不可能达到很高的精度和灵敏度。对于快速变化，信号 电压微弱的化学反应就无能为力。 而如今在电子信息技术高速发展的时代，电子、电脑技术已被广泛应用于 科学观察和分析中。对化学反应分析方式的改进也恰逢其时，所以本课题的研究 目的是希望设计并制作一个主要用于化学分析的采集器，采用电子技术对信号电 压进行采集并直接与p c 机接口，代替x y 记录仪，并实现三维信号记录与作图： 采用1 2 位a d 采样； 9 可在同一时间采样三路独立信号，并自带时标，共提供4 个维度的参数 提供自校准功能； 采样速度较高，单通道采样最高可达5 0 0 k h z ： 直接通过u s b 接入p c 机联机操作，便于数据传送，分析； 可脱机使用，自带存储器，可存储一定量数据。 a d 后采用放大采用隔离放大器，适于采集非相关的信号电压，通道隔离 度要高。 1 8 绪论 参考文献 1 赵若江测量管理体系测量过程和测量设备的要求中国计量，2 0 0 6 年0 1 期 2 谢华锟近年数字化测量技术及量具量仪发展综述设各管理与维修，2 0 0 6 年0 1 期 3 汪晓东2 l 世纪电子测量仪器及自动测试系统的新概念和新趋势电子测量与仪器学报，2 0 0 5 年 0 l 期 4 中国电子测量仪器向高技术发展电子产品可靠性与环境试验2 0 0 5 年o l 期 5 罗伟雄，江柏森电子测量仪器简述电子世界，2 0 0 5 年0 7 期 【6 刘民健电子测量技术的发展常州信息职业技术学院学报2 0 0 4 年0 3 期 7 电子测量仪器的发展趋势电子元件与材料，2 0 0 4 年1 0 期 8 吴洪森计算机网络与人工智能警察技术2 0 0 6 年0 l 期 9 郝宁湘，郭贵春人工智能与智能进化科学技术与辩证法，2 0 0 5 年0 3 期 1 0 覃锋模糊逻辑中若干问题的研究中国优秀博硕士学位论文全文数据库 1 1 房慧龙程控放大器的实现方法工矿自动化。2 0 0 4 年0 4 期 1 2 朱玉田程控放大嚣实现方法的研究电测与仪表1 9 9 7 年0 7 期 1 3 庄哲民程控放大器的设计与实现微计算机信息，1 9 9 7 年0 6 期 1 4 胡寿伟一种单片机控制的程控放大器测试技术学报，1 9 9 6 年0 3 期 【1 5 沈振元，聂志泉，赵雪荷通信系统原理西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 1 年 1 6 边肇祺张学工模式识别北京：清华大学出版社，2 0 0 0 年 1 7 刘洪涛，吴云浩高品质抗混叠滤波器的设计仪器仪表用户，2 0 0 6 年0 1 期 1 8 彭永胜，王太勇，范胜渡吴振勇，王双利高品质抗混叠滤波器设计西南交通大学学报，2 0 0 3 年 0 5 期 1 9 巩萍潘冬明过采样一a d 转换器的研究与仿真广东工业大学学报，2 0 0 5 年0 3 期 2 0 a t s u s h ik a 张m o t o ，r i c h a r dr e 8y _ a d c 最佳方案的选择及其发展趋势电子设计应用。2 0 0 5 年 0 l 期 2 1 沈兰荪高速数据采集系统的原理与应用，北京：人民邮电出版杜，1 9 9 5 年 【2 观杨小牛，楼才义，徐建良软件无线电原理与应甩北京：电予工业出版社，2 1 年 2 3 钮心忻，杨义先软件无线电技术与应用北京：北京邮电大学出版杜。2 0 0 1 年 2 4 张健，向敬成软件无线电技术导论成都：电子科技大学出版社。2 0 0 0 2 5 r h 霄a l d e n a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e rs u r v e ya n d n a l y s i s i e e ej o u r n 8 lo ns e l e c t e d a r e a si nc o u n i c a t i o n s v o l1 7 ，n n4 。 p r i l