第三章数据采集与处理技术

1、第三章,信号采集与信号调理技术,3.5,数据采集系统的设计,数据采集系统概述,传感器,/,信号,信号调理,数据采集,I/O,硬件,总线,数据采集,软件,典型的数据采集系统硬件架构,数据采集硬件可以将,PC,变为一个自动化系统,传感器,?,任意类型,信号连接,?,直接连接,?,或通过接线端,DAQ,设备,?,?,?,?,PCI/PXI,PCIe/PXIe,USB,Ethernet,PC,?,Windows,?,Linux,?,Mac,部分常用的数据采集设备类型,?,实验室、工业环境使用,基于,PCI/PXI,接口,往往需要外接端子和线缆,?,便携式,/,远距离,USB,，,Ethernet,接口

2、,?,教学实验与学生练习,如,ELVIS,、,myDAQ,除了数据采集硬件电路之外还,集成了其他一些功能，如数字,万用表、可编程电源等,举例,:,基于,PXI,平台的数据采集,接线端（前面凸出部分）,信号调理与数据采集（接线端后面）,PXI,控制器及机箱,(,可大致理解为,PC),举例,:,用于教学实验的,NI ELVIS,?,一种集成了,12,种仪器的教学实验设备,安装,NI-ELVIS,驱动后可通过,ELVIS,软面板实现这些功能,?,同时也可看做是一种基于,USB,总线的多功能数据采集设备,用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术,USB,总线,（注意,:,不是前面所说的传输电缆

3、）,PC,接线端,+,传输线缆,+,数据采集设备,数据采集系统基本组成,?,数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为,模拟部分和数字部分。,图,1.1,数据采集系统硬件基本组成,3.5.1,数据采集系统结构形式的确定,常见的数据采集形式有以下几种：,1.,单通道数据采集系统,2.,多通道并行数据采集系统,3.,多通道同步型数据采样系统,4.,多通道共享采样,/,保持器与,A/D,转换器,多通道数据采集系统的几种结构形式,多通道,A/D,转换,?,每个通道都有各自独自的采样保持器与,A/D,转换器，,这种结构形式可以对各通道输入信号,进行同步、高速,数据采集。,多通道数据采集系统的几

4、种结构形式,单通道共享,A/D,转换器,?,各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个,A/D,转换器。通过多路开关分，对各路信号,分时进行,A/D,转换,。能够实现,多路信号,的,同步采集,，但采集,速度稍慢。,多通道共享采样保持器与,A/D,转换器,?,各通道公用一个采样保持器和,A/D,转换器。工作时，,通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的,采样保持器中，实现,多路信号的分时采集,，而,非同,步采集,。并且,采集速度最慢,。优点是,节省硬件成本,，,适于对,采集速度要求不高,的应用场合。,3.5.2,系统参数设计和器件选择,数据采集系统的主要技术指标：,?,被采集信号的特点,?,系

5、统响应时间,?,系统分辨率,?,系统的精度,数据采集系统的主要技术指标,1.,系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的,最小变化量。通常用最低有效位值（,LSB,）占系统,满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际,电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分,的级数来表示。,位数,8,级数,256,1 LSB,（满度值的百分数）,1 LSB,（,10V,满度）,0.391%,39.1mV,12,16,20,4096,65536,1048576,0.0244%,0.0015%,0.000095%,0.0000060%,2.44 mV,0.15 mV,9.53,u,V,0.60,u,V,2

6、4,16777216,表,1.1,系统的分辨率（满度值为,10 V,）,数据采集系统的主要技术指标,2.,系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散,子样的转换精度。,?,模数转换器的精度是系统精度的极限值。,?,系统精度是系统的,实际输出值,与,理论输出值,之差，它,是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。,3.,采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精,度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内,所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟,可采集的子样数目。,?,“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、,传输、存储等过程。,?,采集速率的倒数是采样周期。,数

7、据采集系统的主要技术指标,4.,动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围,是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采,集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅,值,V,imax,与最小幅值,V,imin,之比的分贝数，动态范围：,V,i,max,I,i,?,20,lg,V,i,min,?,瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，,某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅,值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值,A,fmax,与幅度最小频率分量的幅值,A,fmin,之比的分贝数。瞬,A,f,max,时动态范围：,I,?,20,lg,A,f,min,数据采集系统的主要技术指

8、标,5.,非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为,f,的正弦波时，其输出中出现很多频率为,kf,（,k,为正整,数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐,波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，,它通常用下式表示：,2,2,A,2,?,A,3,?,.,H,?,?,100,%,2,2,2,A,1,?,A,2,?,A,3,?,.,?,A,1,为基波振幅，,A,k,为第,k,次谐波的振幅。,多路模拟开关的选择要点,选择多路模拟开关时，应充分考虑,信号的特点及系统特性，尽量选择导通,电阻小、漏电电流小、切换速度快的芯,片，同时应注意要适当地限制通道数量，,有必要时可以采用,MUX,的多路

9、扩展方式。,A/D,转换器的选择要点,采用,A/D,转换器的模拟信号采集是一个要求比较,高的工作，需要考虑多方面的问题。这里介绍需要重,点注意的几个问题。,?,采样速度。采样速度决定了数据采集系统的实时性。,采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的,采样数来决定。采集速度越高，对模拟信号复原的越,好，也即实时性越好。根据奈奎斯特采样定理可知，,数据采集系统对源信号无损再现的必要条件是，采样,频率至少为被采样信号最高频率的两倍。,?,A/D,转换精度。对于复杂系统，一般计算系统中各环节的,方和根误差。信号源阻抗、信号带宽、,A/D,转换器分辨率,和系统的通过率都会影响误差的计算。正常情况下

10、，,A/D,转换前向通道的总误差应小于等于,A/D,转换器的量化误差，,否则选取高分辨率,A/D,转换器也没有实际意义。,?,孔径误差。,A/D,转换是一个动态的过程，需要一定的转换,时间。而输入的模拟量总是在连续不断变化的，这样便,造成转换输出的不确定性误差，即孔径误差。为了确保,较小的孔径误差，则要求,A/D,转换器具有与之相适应的转,换速度。否则，就应该在,A/D,转换器前加入采样,/,保持电,路以满足系统要求。,?,系统通过率。系统的通过率由模拟多路选择器、输入,放大器的稳定时间、采样,/,保持电路的采集时间以及,A/D,转换器的转换时间确定。在模拟信号的数据采集系,统中，有正常顺序和

11、重叠两种采集方式，采用低分辨,率,A/D,转换器、减少模,/,数转换环节及采用重叠方式采,集时，可获得较大带宽的通过速度。,（,1,）如何确定,A/D,转换器的位数,A/D,转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态,精度和动态平滑性这两个方面进行考虑。,目前，大多数测量装置的精度值不小于,01%0.5%,，故,A/D,转换器的精度取,0.05%0,。,1%,即可，相应的二进制码,为,1011,位，加上符号位，即为,1112,位。当有特殊的应用,时，,A/D,转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度,的转换方案。,（,2,）如何确定,A/D,转换器的转换速率,A/D,转换器从启动转换到转换结

12、束，输出稳定的数,字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每,秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。,确定,A/D,转换器的转换速率时，应考虑系统的采样,速率。,例如，如果用转换时间为,100us,的,A/D,转换器，,则其转换速率为,10KHz,。根据采样定理和实际需要，,一个周期的波形需采,10,个样点，那么这样的,A/D,转换,器最高也只有处理频率为,1KHz,的模拟信号。把转换,时间减小，信号频率可提高。,书中主要讲述了如何确定,A/D,转换器的位数以及如何确定,A/D,转,换器的转换速率，详细公式和实例说明见书,P7778,页。,3.5.3,高速数据采集系统,1,高速数据采集系统分

13、类,2,高速数据采集系统基本功能,3,高速数据采集系统的结构形式,4,高速数据采集系统基本原理,5,高速数据采集系统的发展趋势,6,高速数据采集的应用,高速数据采集系统分类,高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法,有以下几种：,?,根据适应环境不同：隔离型和非隔离型，集中式和分布式；,?,根据控制功能：智能化和非智能化采集系统；,?,根据模拟信号的性质：电压和电流信号，高电平和低电平信,号，单端输入和差分输入；,?,根据信号通道的结构方式：单通道及多通道输入方式。,高速数据采集系统基本功能,一般来说，高数采集系统的任务是采集各种类,型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入,计算

14、机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得,到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。,高速数据采集系统的结构形式,从高速数据采集系统的硬件组成来分，有两种：集成,微型计算机的数据采集系统，集散型数据采集系统。,集散型数据采集系统由包含,A/D,AMP,DSP,FPGA,的数据,采集卡组成的数据采集系统，可以独立采集模拟和数字信,号，数据通过光纤或网络传输到,PC,的硬盘进行保存及处理。,集成微型计算机的数据采集系统则是将,PC,及数据采集,卡集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部的硬盘，,无需通过线缆传输。,高速数据采集系统基本原理,下图是基于,DSP,的数据采集系统，一般包括：,AD,

15、模数转换芯片、,SDRAM,动态数据存储元件、,Flash,静态数据存储元件、,HPI,主机接口、,USB,接口、,PCI,接口等。典型的数字信号处理过程如图所示。,输人信号可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的,数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信,号。如果输人信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放,大器单元将输入信号幅度放大或者缩小后，送到,AD,进行模数,转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬,件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到,AD,进行模数转,换。,AD,能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足奈奎斯特,采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信

16、息，采样频,率必须高于输入信号最高频率的,2,倍，一般为,5,倍以上。,AD,变,换后得到的数字信号输人到,DSP,芯片；再由,DSP,芯片对该数字,信号进行各种数字信号算法的处理。,高速数据采集系统的发展趋势,(1),新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了,数据采集系统的性能。,(2),高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步,推动了数据采集系统的广泛应用。,(3),智能化传感器,(Smarts nor),的发展，必将对今后数据采集系统,的发展产生深远的影响。,(4),与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据,采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集

17、系统技术的,进一步发展。,(5),分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。,高速数据采集的应用,高速数据采集系统具有极高的采样率，尤其适合用于瞬间,测量量产生变化的场合。例如：在电力传输或者爆炸，冲击波，,火箭发射过程中。,电力测试的应用包括：,高压脉冲测试,大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能,.,其暴露在,野外，经常遭受雷击，进而可能损坏变电站的设备,.,元器件,的损坏将导致部分电力分配能力的损失，并耗费高昂的修理,费用,.,变压器，电涌放电器，绝缘体和开关设备的测试,对于,质量校准过程和保证元件的承受力是非常重要的,.,电力开关设备测试,开关设备测试,是一个巨大的挑战,要求特殊的,硬件和软,件,才能产生精确可靠的测试结果,.,硬件的挑战包括绝缘，放,大器漂移，噪声和抗电磁干扰和需要电池操作等。软件挑战,包括数据完整，重复性和可靠性等。例如核电备用柴油机的,测试。,零区测试,零区,(CZ),指的是在高功率断路器上的中断现象,.,现在不,可能通过中断高压电路来进行