数据采集与处理

,2.1概述,2.2采样过程,2.3采样定理,2.4频率混淆及其消除的措施,第2章模拟信号的数字化处理,2.7量化与量化误差,2.6模拟信号的采样控制方式,2.8编码,2.1概述,第2章模拟信号的数字化处理,在数据采集系统中存在两种信号：,模拟信号,数字信号,信号种类,在开发数据采集系统时，首先遇到的问题：,如何把传感器测量到的模拟信号转换成数字信号？,被采集物理量的电信号。,计算机运算、处理的信息。,2.1概述,连续模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：,时间断续,数值断续,过程,量化,编码,信号转换过程如图2.1所示。,x(t),xS(nTS),xq(nTS),x(n),2.1概述,t,x(t),t,xS(nTS),t,xq(nTS),x(n),n,001,011,100,010,010,011,图2.1信号转换过程,q,2q,3q,4q,TS,2TS,3TS,TS,2TS,3TS,2.2采样过程,第2章模拟信号的数字化处理,采样过程,一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为TS，开关闭合时间为）的采样开关K之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs)。,采样过程如图2.2所示。,2.2采样过程,图2.2中：,xs(nTs),0,TS,2TS,TS,图2.2采样过程,t,x(t),x(t),K,Ts(t),xS(nTS),t,xS(nTS),TS,TS,2TS,3TS,采样信号;,采样时刻,采样时；,采样周期。,应该指出，在实际应用中，,TS。,采样周期TS决定了采样信号的质量和数量：,TS，xs(nTs)，内存量；,TS，xs(nTs)，丢失的某些信息。,因此，采样周期必须依据某个定理来选择。,2.2采样过程,不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差。,2.3采样定理,1.采样定理,设有连续信号x(t)，其频谱X(f)，以采样周期TS采得的信号为xs(nTs)。如果频谱和采样周期满足下列条件：,频谱X(f)为有限频谱，即当时|f|fc，X(f)=0,TS,第2章模拟信号的数字化处理,2.3采样定理,则连续信号,唯一确定。,式中n=，,fc信号的截止频率,采样定理指出：,对一个频率在0fc内的连续信号进行采样，当采样频率为fs2fc时，由采样信号xs(nTs)能无失真地恢复为原来信号x(t)。,2.采样定理中两个条件的物理意义,条件1的物理意义,模拟信号x(t)的频率范围是有限的，只包含低于fc的频率部分。,2.3采样定理,条件2的物理意义,采样周期Ts不能大于信号截止周期Tc的一半。,2.3采样定理,3.采样定理不适用的情况,一般来说，采样定理在,时是不适用的。,例如，设信号,当,时，其采样值为,2.3采样定理,则有,讨论：,当=0，xs(nTs)=0，即采样值为零，无法恢复原来的模拟信号x(t)。,2.3采样定理,xS(nTS)=Asin(n+)=A(sinncos+cosnsin)=Acosnsin=A(-1)nsin,当0|sin|1时，xs(nTs)的幅值均小于原模拟信号，出现失真。,当|sin|=1时，xs(nTs)=(-1)nA，它与原信号x(t)的幅值相同，但必须保证=/2。,综上所述，只有在采样起始点严格地控制在=/2时，才能由采样信号xs(nTs)不失真地恢复出原模拟信号x(t)，然而这是难以做到的。,结论：,采样定理对于,不适用的。,2.3采样定理,2.4频率混淆与消除频混的措施,1.频率混淆,什么是频率混淆？,频率混淆,模拟信号中的高频成分（,）被,叠加到低频,成分（,）上的现象。,第2章模拟信号的数字化处理,2.4频率混淆与消除频混的措施,频率混淆如图2.5所示。,例如：某模拟信号中含有频率为900Hz，400Hz及100Hz的成分。,若以fs=500Hz进行采样，,此时,Hz，,Hz,但,Hz。,由图2.5可见，三种频率的曲线没有区别：,对于100Hz的信号，采样后的信号波形能真实反映原信号。,2.4频率混淆与消除频混的措施,对于400Hz和900Hz的信号，则采样后完全失真了，也变成了100Hz的信号。,于是原来三种不同频率信号的采样值相互混淆了。,不产生频率混淆现象的临界条件：,fS=2fC,2.消除频混,为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：,对于频域衰减较快的信号，减小TS。,但是，TS，内存占用量和计算量。,2.4频率混淆与消除频混的措施,对频域衰减较慢的信号，可在采样前，先用一截止频率为fC的滤波器对信号x(t)低通滤波，滤除高频成分，然后再进行采样。这种方法既实用又简单。,实际上，由于信号频率都不是严格有限的，而且，实际使用的滤波器也都不具有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止频率的频率分量衰减掉。,2.4频率混淆与消除频混的措施,在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用。,表2.1典型物理量的经验采样周期值,被测物理量,采样周期(s),流量,12,2.4频率混淆与消除频混的措施,压力,液位,温度,成分,35,68,1015,1520,2.6模拟信号的采样控制方式,1.模拟信号的采样控制方式,无条件采样,特点：,运行采样程序，立即采集数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。,优点：,为无约束采样。,第2章模拟信号的数字化处理,2.6模拟信号的采样控制方式,缺点：,不管信号是否准备好都采样，可能容易出错。,定时采样：,变步长采样：,方法,采样周期不变,采样周期变化,条件采样,方法,查询方式,中断方式,查询方式：,CPU不断检查AD转换状态，以确定程序执行流程。,优点：,硬件少，编程简单。,缺点：,占用较多CPU机时。,中断方式：,响应中断，暂停主程序，执行中断服务程序。,优点：,少占用CPU机时。,缺点：,要求硬件多，编程复杂。,2.6模拟信号的采样控制方式,直接存储器存取（DMA）方式,特点：,由硬件完成数据的传送操作。,在DMA控制器控制下，数据直接在外部设备和存储器MEM之间进行传送，而不通过CPU和IO，因而可大大提高数据的采集速率。,2.6模拟信号的采样控制方式,图2-10DMA传送方式,采样控制方式的分类归纳如下：,无条件采样,条件采样,采样,定时采样等点采样,查询采样中断控制采样,DMA方式采样,2.6模拟信号的采样控制方式,2.采样控制方式的应用,无条件采样：,仅适于AD转换快，且要求CPU与AD转换器同时工作。,中断方式：,用于系统要同时采集数据和控制的场合。,2.6模拟信号的采样控制方式,DMA方式：,用于高速数据采集。,查询方式：,用于系统只采集几个模拟信号的场合。,2.6模拟信号的采样控制方式,2.7量化与量化误差,1.量化,什么是量化？,量化,采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列倍数比较，用最接近采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。,第2章模拟信号的数字化处理,2.7量化与量化误差,最小数量单位,量化单位，用q表示。,量化单位定义：,量化器满量程电压FSR(FullScaleRange)与2n的比值。,即,其中n量化器的位数。,【例2.1】当FSR=10V，n=8时，q=39.1mV；,当FSR=10V，n=12时，q=2.44mV；,当FSR=10V，n=16时，q=0.15mV。,由此可见：,量化器的位数n，量化单位q。,2.7量化与量化误差,2.量化方法,日常生活中，在计算某个货物的价值时，对不到一分钱的剩余部分，,一概忽略,四舍五入,处理方法,类似地，AD转换器也有两种量化方法。,2.7量化与量化误差,只舍不入,有舍有入,量化方法,1.只舍不入的量化,如图2.12所示。,2.7量化与量化误差,将信号幅值轴分成若干层，各层之间的间隔均等于量化单位q。,量化方法：,信号幅值小于量化单位q倍数的部分，一律舍去。,2.7量化与量化误差,t,0,q,2q,3q,xS(nTS),TS,2TS,3TS,.,t,xq(nTS),0,q,2q,3q,.,TS,2TS,3TS,(a),(b),图2.12“只舍不入”量化过程,量化信号xq(nTs)用表示：,当,时，,当,时，,当,时，,2.有舍有入的量化,如图2.13示。,2.7量化与量化误差,量化方法：,信号幅值小于,的部分，舍去，大于,或等于,的部分，计入。,2.7量化与量化误差,t,0,q,2q,3q,xS(nTS),TS,2TS,3TS,.,t,xq(nTS),0,q,2q,3q,.,TS,2TS,3TS,(a),(b),图2.13“有舍有入”量化过程,量化信号用xq(nTs)表示：,当,时，,当,时，,当,时，,2.7量化与量化误差,【例2.2】设来自传感器的模拟信号的电压是在05V范围内变化，如图2.14(a)中虚线所示。现用1V，2V，3V，4V，5V（即量化单位1V）五个电平近似取代05V范围内变化的采样信号。,2.7量化与量化误差,解：采用有舍有入的方法对采样信号进行量化。量化时按以下规律处理采样信号：,2.7量化与量化误差,t,Ui,图2.14量化实例,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,t1,TS,t2,0.7,3.5,t3,4.6,t4,4.7,t5,3.6,t6,2.7,(a),t,Uq,1,2,3,4,5,t1,t2,t3,t4,t5,t6,(b),电压值处于0.51.4V范围内的采样信号，都将电压值视为1V；,电压值处于1.5V2.4V范围内的采样信号，则视为2V；,其它依次类推。,结果：,把原来幅值连续变化的采样信号，变成了幅值为有限序列的量化信号。,2.7量化与量化误差,由以上讨论可知:,量化信号的精度取决于所选的量化单位q。,很显然：,q，信号精度。,量化始终存在着误差，这是因为量化是用近似值代替信号精确值的缘故。,3.量化误差,什么是量化误差？,2.7量化与量化误差,量化误差,由量化引起的误差，记为e。,即,式中xs(nTs)采样信号；,xq(nTs)量化信号。,量化误差的大小与所采用的量化方法有关。,只舍不入法引起的量化误差,量化特性曲线与量化误差如图2.15所示。,2.7量化与量化误差,由图可知：量化误差只能是正误差。它可以取0q之间的任意值。,2.7量化与量化误差,平均误差为,式中，p(e)为概率密度函数，其概率分布见图2.17（a）。,2.7量化与量化误差,由于平均误差不等于零，故称为有偏的。最大量化误差为,量化误差的方差为,2.7量化与量化误差,上式表明：,xq(nTs)将包含噪声,即使模拟信号x(t)为无噪声信号，经过量化器量化后，量化信号,量化误差的标准差为,2.有舍有入法引起的量化误差,量化特性曲线与量化误差如图2.16所示。,2.7量化与量化误差,由图可知：量化误差有正有负。它可以取,之间的任意值。,2.7量化与量化误差,平均误差为,式中，p(e)为概率密度函数，其概率分布见图2.17（b）。,2.7量化与量化误差,由于平均误差等于零，故称为无偏的。最大量化误差为,量化误差的方差为,2.7量化与量化误差,量化误差的标准差与只舍不入的情况相同：,由以上分析可知：,量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法完全消除。,2.7量化与量化误差,两种量化方法的比较：,有舍有入的方法好，这是因为，有舍有入法的最大量化误差只是只舍不入法12的。,目前大部分AD转换器都是采用有有舍有入的量化方法。,2.7量化与量化误差,3.量化误差对数据采集系统动态平滑性的影响,不考虑采样过程，只专注于研究模拟信号经过量化后的情况。如图2.18所示，其量化信号将呈阶梯形状。,2.7量化与量化误差,图2.18模拟信号的量化噪声,2.7量化与量化误差,由于量化误差e的大小取决于量化单位q和模拟信号x(t)。当量化单位q与x(t)的电平相比足够小时，量化误差e可作为噪声考虑。,比较图2.18中的（a）、（b）两种情况，可以发现：,对于相同的模拟信号,AD转换器位数n，q，噪声e峰峰值，噪声e变化的频率。,2.7量化与量化误差,2.7量化与量化误差,AD转换器位数n，q，则产生高频、小振幅的量化噪声。,对相同的量化单位q,信号变化，量化噪声的变化频率；,信号变化，量化噪声的变化频率。,2.7量化与量化误差,总结以上情况，可得出以下结论：,模拟信号经过量化后，产生了跳跃状的量化噪声；,量化噪声的峰峰值等于量化单位q；,量化噪声的变化频率取决于量化单位q和模拟信号x(t)的变化情况：q，x(t)变化，噪声的频率。,2.7量化与量化误差,由此可知，量化噪声的大小受AD转换器位数的影响。,4.量化误差（噪声）与量化器位数的关系,量化误差可按一系列在,之间的,斜率不同的线性段处理，如图2.19所示。,2.7量化与量化误差,设为时间间隔-t1t2内直线段的斜率：,t,e,-q/2,q/2,-t1,t2,图2.19量化误差的线性化处理,2.7量化与量化误差,误差e=t，则其方差为,相应的量化信噪比为,2.7量化与量化误差,或,式中nAD转换器位数。,2.7量化与量化误差,由式（2-29）可看出：,位数每增加一位，信噪比将增加6dB。,也就意味着量化误差减小。,结论：,增加AD转换器的位数能减小量化误差。,第2章模拟信号的数字化处理,2.8编码,编码,将量化信号的电平用数字代码来表示。,单极性信号，电压从0V+xV变化；,双极性信号，电压从-xV+xV变化。,2.8编码,单极性二进制码,二进制码类型,双极性二进制码,1.单极性编码,单极性编码的方式有以下几种：,二进制码,在数据转换中，经常使用的是二进制分数码。,2.8编码,在这种码制中，一个（十进制）数的量化电平可表示为,式中：第1位（MSB）的权是,，第2位的,，.，,第n位（LSB）的权,权是,是,2.8编码,ai或为0或为1，n是位数。,数D的值就是所有非0位的值与它的权的积累加的和。,【例2.3】设有一个DA转换器，输入二进制数码为：110101，基准电压,UREF=FSR=10V，求UOUT=?,解：根据式（2-30）可得,2.8编码,则,注意：,由于二进制数码的位数n是有限的，即使二进制数码的各位ai=1(i=1，2，n)。最大输出电压Umax也不与FSR相等，而是差一个量化单位q，可用下式确定：,2.8编码,例如：,Umax=111111111111=+9.9976V,Umin=000000000000=0.0000V,对于一个工作电压是0V+10V的12位单极性转换器而言：,2.8编码,表2.38位单极性二进制码与满量程的关系,2.8编码,2.二十进制（BCD）编码,在BCD编码中，用一组4