信号的采集与处理.ppt

信号的采集与处理 主讲人 王坚 引言 随着数字信号处理理论和计算机的不断发展 现代工业和科学技术研究全都需要借助数字处理方法 而进行数字处理方法的先决条件是将所有的研究对象进行数字化 也就是所谓的数据采集与处理 数据采集技术是以前段的模拟信号处理 数字化 数字信号处理和计算机等高科技为技术形成的一门综合技术 它现在被广泛应用于图像处理 振动测试 语音信号分析和瞬态信号分析等多个领域 所以它也成为研究领域中必不可少的一门技术 信号 模拟信号 模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号 或在一段连续的时间间隔内 其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号 模拟信号分布于自然界的各个角落 如每天温度的变化 电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号 此信号可以被模拟电路进行各种运算 如放大 相加 相乘等 数字信号 数字信号指自变量是离散的 因变量也是离散的信号 这种信号的自变量用整数表示 因变量用有限数字中的一个数字来表示 现代技术的信号处理中 数字信号发挥的作用越来越大 几乎复杂的信号处理都离不开数字信号 或者说 只要能把解决问题的方法用数学公式表示 就能用计算机来处理代表物理量的数字信号 两者区别 模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的信号 时间上是连续的 幅度变化也是连续的 数字信号是通过0和1的数字串所构成的数字流来传输的 幅度变化是跳变的 数据采集系统的构成 一个典型的数据采集系统的处理步骤如下 对象 物理信号 电信号 电信号 电信号 数字信号 数据采集系统的构成 传感器 将非电量转换成电信号输出 调理通道 完成模拟信号的衰减 放大 隔离 滤波 传感器激励和线性化等功能 采样保持器 保证A D转换过程中信号的稳定 A D转换器 将模拟量转换成数子量 单片机 进行数据采集 电平转换电路 将TTL电平1转换成RS232C2电平 计算机 接收数据并进行处理 备注 1 晶体管 晶体管逻辑电平 2 一种串行物理接口标准 6 传感器 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将感受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 传感器的主要功能是接受物理信号然后转变为电信号 调理通道 1 放大电路 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声 也就是使调理后信号的最大电压值和ADC1的最大输入值相等 这样可以提高精度 同时 高分辨率可以降低高放大倍数要求并可以提高较宽的动态范围 仪器信号调理的前端系统有几种放大模式 靠近传感器的微弱信号经过放大增益 最后只把大信号送给计算机 以使噪声影响减到最小 放大器 直流放大器 交流放大器 电荷放大器 电桥 时间域频率域幅度增大低频保留 高频截止幅度增大高频保留 低频截止电荷增大 Z V 备注 1 数模转换 介绍 介绍 8 调理通道 1 放大电路 1 1直流放大电路 1 反相放大器 反相放大器是最基本的电路 其闭环电压增益Av为 反馈电阻RF值不能太大 否则会产生较大的噪声及漂移 一般为几十千欧至几百千欧 R1的取值应远大于信号源Ui的内阻 调理通道 1 放大电路 1 1直流放大电路 1 同向放大器 同相放大器也是最基本的电路 其闭环电压增益Av为 同相放大器具有输入阻抗非常高 输出阻抗很低的特点 广泛用于前置放大级 调理通道 1 放大电路 1 2交流放大电路 若只需要放大交流信号 可采用图示的集成运放交流电压同相放大器 其中电容C1 C2及C3为隔直电容 R1一般取几十千欧 耦合电容C1 C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定 调理通道 2 滤波电路 滤波可以消除噪声和不必要的干扰 噪声滤波器通常用于输入的信号是直流信号 许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器 交流信号通常需要抗失真的低通滤波器 因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率 因而几乎能够完全消除高频干扰信号 滤波器 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 低通 带通 高通 带阻 调理通道 2 滤波电路 2 1RC无源滤波器 在测试系统中 常用RC滤波器 因为这一领域中信号频率相对来说不高 而RC滤波器电路简单 抗干扰强 有较好的低频性能 并且选用标准阻容元件 1 一阶RC低通滤波器 2 一阶RC高通滤波器 2 1RC无源滤波器 3 RC带通滤波器 调理通道 3 隔离 屏蔽 隔离也是信号调理中的一种 从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开 因为被监测系统可能产生瞬时高电压 另一个原因是隔离可使从数据采集板出来的数据不受地电位和输入模式的响 当输入DAQ1板的信号与得到的信号不共地时 可能产生较大误差甚至损坏系统 而用隔离办法就能保证信号的准确 4 激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流 RTDS 温度 电阻 需要电流将电阻变化反映出来 而应变片需要一个完备的桥式电路及电源 很多设备都提供电流源以便使用这些传感器 5 线性化 多传感器对被测量的量都有非线性响应 因而需要对输出信号进行线性化 备注 1 数据采集 采样保持器 A D转换器完成一次转换需要一定的时间 而在转换期间希望A D转换器输入端的模拟信号电压保持不变 才能保证正确的转换 当输入信号的频率较高时 就会产生较大的误差 为了防止这种误差的产生 必须在A D转换器开始转换之前将信号的电平保持 转换之后又能跟踪输入信号的变化 保证较高的转换精度 为此 需要利用采样保持器来实现 1 采样保持 采样保持是利用切断电容器的输入后 电容器能保持其原有电压值的原理实现的 图3 33 采样保持动作由两种模式构成 一种是采样模式 即采样保持的输出跟踪输入值 另一种是保持模式 即保持输出值 采样保持器 1 采样保持 在采样模式中 从保持模式移到采样模式的瞬间 输入值和输出值不一样 需经过一段时间 两值才能达到一致 这就是滞后现象 如图3 34所示 图中Ts表示开关滞后 TA表示稳定时间 进入跟踪状态后 一转换到保持模式 这时的输入值便被保持 这种场合伴有各种误差 2 采样定理 采样保持器 2 1采样信号的频谱 采样过程是将采样脉冲序列p t 与信号x t 相乘来 采样脉冲序列p t 与信号x t 图谱 采样保持器 2 采样定理 2 2频混现象 频域解释 采样保持器 2 采样定理 2 3采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息 信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍 这是采样的基本法则 称为采样定理 fs 2fmax 或者 Tmax 2Ts 需要注意的是 在对信号进行采样时 满足了采样定理 只能保证不发生频率混叠 只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时 可以完全变换为原时域采样信号xs t 而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x t 工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍 采样保持器 3 采样方式 数字化采样方式 实时采样 顺序采样 随机采样 等效采样 A D转换器 A D转换是外部世界模拟信号和计算机之间联系的接口 它将连续变化的模拟信号转换为数字信号 以便计算机和数字系统进行处理 存储 控制和显示 A D转换器件的种类非常多 其实现方式主要有逐次逼近式 双积分式 计数式 并行式等 比较常用的有双积分和逐次逼近式两种 什么是A D转换 A D转换的实现方式 A D转换器 1 A D转换器类型 1 1逐次逼近式A D转换器 包括比较器 控制电路 逐次逼近寄存器 D A转换器构成 其基本原理是逐次逼近寄存器各位首先清 0 然后设置最高位为 1 形成第一个试探值 该试探值通过D A转换器后与待测量电压进行比较 如果待测量电压高于试探电压 则保持最高位不变 反之 则将最高位设置为 0 然后将逼近寄存器的次高位设置为 1 继续上述试探过程 通过从高位到低位地不断试探逼近寄存器各位值 最后得到转换结果 逐次逼近式A D转换器的特点是转换速度比较快 分辨率也较高 但是抗干扰能力比较差 逐次逼近A D转换原理图 A D转换器 1 A D转换器类型 1 2双积分式A D转换器 转换过程包括两步 1 对输入电压进行固定时间的积分 获得一个输出电压V0 2 对V0通过参考电压进行反积分 使其降低为0V 并统计反积分时间 双积分式A D转换的抗干扰能力比较强 性能稳定 但是转换速度比较慢 双积分式A D转换原理图 A D转换器 2 A D转换器的主要参数 量程 指所能转换的模拟输入电压范围 可以分为单极型和双极型两种 分辨率 LSB 指A D转换器所分辩的最小模拟输入量 n位A D转换器能反应1 2n满量程的模拟输入电平 精度 包括绝对精度和相对精度两种 其中绝对精度是指在A D转换器输出端产生给定的数字量时 其实际模拟输入值同理想值之差 相对精度是指在满量程值已经校准的情况下 在量程范围内任意数字量输出 所对应的模拟量输入值与理论值之差 转换时间 指从发出启动命令到转换结束获得整个数字信号为止所需要的时间间隔 A D转换器 2 A D转换器的主要参数 例1 S3C2410中的A D转换器 8路10位 并支持触摸屏功能 精度位1 5位 量程为0 3 3V 最大转换速率为500K 例2 8位模数 A D 转换器ADC0809 例1 例2 A D转换器 3 模数 A D 转换器选用举例 采集一个频率为20KHz的信号 要求要分辨到2mV电压 信号电压的输入范围是0 5V 试根据下表确定A D转换器的型号 信号电压的输入范围是0 5V ADC0809 AD574A AD679均可信号频率为20KHz 周期为50 s 根据采样定理AD574A AD679均可最小分辨电压ADC0809 5 28 19 5mVAD574A 10 212 2 44mVAD679 10 214 0 61mV应该选AD679 单片机 单片机 Singlechipmicrocomputer 微型计算机简称单片机 是典型的嵌入式微控制器 MicrocontrollerUnit 单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 单片机由运算器 控制器 存储器 输入输出设备构成 相当于一个微型的计算机 最小系统 和计算机相比 单片机缺少了外围设备等 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 它最早是被用在工业控制领域 单片机 单片机 1 模数转换器与单片机的接口 单片机 2 模数转换器与单片机的接口的编程 查询方式 定时采样方式向A D发出启动脉冲信号后 先进行软件延时 延时时间取决于转换时间 例如0809为100um 延时结束后直接从A D口读入转换结果 因此这种方式比查询方式转换速度更慢 故应用较少 中断方式在前两种方式中 A D采样过程中都要占用CPU大量的工作时间 降低厂CPU的工作效率 在实时性要求高 控制口较多的情况下须采用中断方式 在这种采样方式中 当启动A D转换后 CPU可处理其它事务 当A D转换结束时 由A D芯片向CPU发出A D转换结束的中断申请 CPU响应中断后 便进入中断服务程序 执行 读A D转换结果 的操作 这样 CPU和A D芯片在时间上是并行工作的 所以提高了CPU的工作效率 单片机 2 模数转换器与单片机的接口的编程 单片机 2 模数转换器与单片机的接口的编程 单片机与计算机的通讯 1 1同步通讯 1 2异步通讯 同步通信方式是指在发送设备的时钟频率与接收频率一致的条件下 发送设备发出一个同步码后 随之自动发送一组数据的方式 同步通信方式属于一种连续传送数据的方式 适用于大批量数据传送 其特点是传送速率高 但要求收发双方的时钟保持严格的同步 异步通信方式的数据是一帧一帧的传送 每一帧数据由一个起始位 5 8个数据位 一个奇偶校验位 1 2个停止位组成 1 通讯介绍 单片机与计算机的通讯 RS 232 C是美国电子工业协会 EIA 在1969年公布助数据通信标淮 RS是推荐标准 Relommendedstardard 的英文缩写 232 C是标准号 RS 232 C标准在引线连接上采用24针D型插座 其中有20个引脚对应串行通信使用的信号 在微机通信中最常用的是其中9个通信信号 这也就是有的串行接口板上采用9针插座的原因 2 RS 232 C标准 单片机与计算机的通讯 MCS 51单片机有一个全双工的串行通讯口UART 利用其RXD和TXD与外界进行通信 其内部有2个物理上完全独立的接收 发送缓冲器SBUF 可同时发送和接收数据 所以单片机和Pc机之间可以方便地进行串口通讯 单片机串口有3条引线 TXD 发送数据 RXD 接收数据 和GND 信号地 因此在通信距离较短时可采用零MO DEM方式 简单三连线结构 PC机有两个标准的RS232串行口 其电平采用的是EIA电平 而MCS 51单片机的串行通信是由TXD 发送数据 和RXD 接收数据 来进行全双工通信的 它们的电平是TTL电平 为了Pc机与MCS 51机之间能可靠地进行串行通信 需要用电平转换芯片 可以用MAXIM公司生产的专用芯片MAX232进行转换 电路如图1所