数据采集技术

1、数据采集第九章 数据 采集技术主要内容 数据采集概述，什么是数据采集 模拟信号的数字化处理 多路模拟开关、测量放大器 采样/保持电路 模/数转换器、数/模转换器 数据采集的抗干扰技术 传感器、数据采集系统设计（自学内容）2001年4月1日，一架美国海军EP-3型侦测机在南中国海进行侦察，中国海 军航空兵派出2架歼-811战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在海南岛东南 70海里上空与美机发生碰撞、坠毁，飞行员王伟跳伞，下落不明， 后确认牺 牲，美国军机迫降海南岛陵水机场执行侦查任务?a?a收集中国军事情报。2008年9月25日，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射。点火583秒，飞船与火 箭在高度

2、约200公里处成功分离。发射测控网共设 13个站，其中上升段有3个站：发射场的东风站、渭南站和青岛 站， 这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100%。入轨段有两条测量 船：远望一号和远望二号对象测控？a?a数据采集与目标控制类似的例子很多，如物联网。上述实例中，进行情报收集或完成测控任务， 完全依赖于信息技术。信息技术的核心包括信息获取、通信传输以及计算机数据处理技术，其中 信息获取是基础和前提， 而信息获取的主要手段是数据采集技术；数据采 集技术随着微电子技术、电子技术、计算机技术的进步得到迅速发展，发 挥着越来越重要的作用。数据采集技术与计算机技术密切相关，根据大纲要求，在计算机原

3、理课程 中增加数据采集技术的内容。§ 9.1 概 述一、数 据采集的基 本概念1、数据采集 计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如 温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连 续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后， 由非电量变换成电 量，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤 ，输入计算机进行处理或存 储记录的过程 。2、数据采集系统用于数据采集的成套设备称为 数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成 对整个采集过程的控制、对采集的数据进

4、行处理的任务。3、数据采集系统任务 数据采集系统的任务主要有三项： 把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机 通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息 实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制二、数据采集系统的基本组成 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 硬件基本组成示意图如下。常把传感器输出到A/D转换器输出的信号通道称为模拟通道1、传感器 传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电信号，例如电流、电压、频率或脉 冲等。举例：热电阻可以把变化的温度转换为变化的电压； 转速传感器把转速转换为电脉冲，等。2、放大器 放大器用来放大和缓冲输入信号。

5、传感器输出的信号较小，通常在几毫伏到几十毫伏之间，人体生物电信号为微伏量级。需要放大,以满足ADC满量程输入的要求,如5 10V。放大器还起到阻抗变换 器的作用，来缓冲输入信号。放大器的种类比较繁杂。3、滤波器滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比 传感器和电路中的器件会产生噪声，人工发射源通过耦合使信号通道感染噪声，其 它用电器产生的谐波污染等。数据采集必须有效去除噪声才能获得可信的数据。4、多路模 拟开关多路模拟开关为电子开关，用来分时选通来自多个输入通道中的某一路信号，以实现多路巡回检测。功能：扩展输入路数，减少后续电路器件数（S/H、ADC等只需1套）。可节省成本和体积，但会降低采

6、集速度，增大误差，适合变化缓慢的物理信 号。5、采 样/ 保持电路（ S/H）A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间内，A/D转换器的模拟输入信号不能变化，否则不能保证转换精度。采样 /保持电路的主要作用是快速拾取模拟输入信号，并保持其幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度；如果把S/H电路放在多路开关之前，可实现对多路模拟瞬 时信号同时采样。6、模数转换器（ADC） 模数转换器的主要作用是把模拟信号转换为数字信号， 其输入是采样 /保持电路的输 出，输出是计算机接口的输入。ADC是模拟输入通道的关键电路，是影响系统采样 速度和精度的主要因素之一。7、计算机I/O接口A/D转换结果要

7、送入计算机处理，而数据处理后还要送出计算机，都需要借助于计 算机 I/O 接口完成。8、定时与 控制逻辑 在数据采集系统中，各器件的定时关系是非常严格的，如果定时不合适，会严重影 响系统的采样精度。例如，在多路模拟开关、采样/保持，AD转换之间，哪个开启、开启多长时间有严 格的规定。定时与控制逻辑侧重于为完成数据采集任务所进行的控制功能， 是面向系统的。 定 时与控制逻辑在结构图中没有画出。三、数据采集系统的主要指标 对数据采集系统性能指标的要求主要取决于具体应用的目的和应用的环境。 以下介 绍几个常用指标的含义。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

8、（ LSB ）占 满量程的 百分比表示，或用系统可分辨的 最小电压值或满量程可划分的 级数表示。以10V满量程为例：2、系统精度系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，通常表示为满量程的百分数。系 统精度是系统各种误差的总和，模数转换器的精度是系统精度的极限值。实际情况 是，系统精度达不到数模转换器的精度3、采集速率采集速率也叫吞吐率，是指在满足精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位 时间内所完成的采集次数。采样速率是采样周期的倒数，采样周期表征了系统每采集一个有效数据所需的时 间。采样周期内需完成采样、量化、编码、传输、处理等的全部工作。4、动态范围某个物理量的变化范围，即信号的最大

9、幅值和最小幅值之比的分贝数。设允许输入信号的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，则动态范围表示为：imaxVimaxIi =20lg5、非线性失真 非线性失真也叫谐波失真， 多频率为kf （k为正整数） 真系数衡量Vimin当系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很 的新的频率分量，这种现象称为非线性失真。用谐波失四、数据处理的任务数据采集是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等为基础而形成 的一门综合应用技术学科，除硬件设备外，往往需要软件的支持，以对所采集的数 据进行分析与处理，并完成信息的表示等，是软件要完成的任务。数据类型的不同、应用领域的不同，数据处理方法会有很

10、大差别。本章的重点放在 数据采集原理上，而对具体的数据处理方法将不作详细介绍。1、信号分类 丿 Li、0信息通过信号来传递，信号是信息的载体，是信息的表现形式。数据采集的对象是 信号；数据处理的目的是获取信息。信号数据信息了解信号的分类有利于找到规律，便于数据处理。（1）按信号特性分类确定信号：能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，如正弦曲线、 指数曲线等。?周期信号：按一定周期重复出现的信号。?非周期信号：不按固定周期出现的信号。随机信号：不能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，但服从某 种统计规律，如产品的合格率等。? 平稳随机信号：统计特性不随时间变化。?非平稳随

11、机信号：统计特性随时间变化。上述信号还可以继续分类， 如周期信号可分为谐波信号和复杂周期信号等， 这里 不再讨论。（ 2）按信号形式分 类模拟信号幅度的取值是连续的， 为时间上连续变化的信号， 如电压、 温度等， 输入计算机前需要 经过采样、量化和编码，进行离散化。状态信号物质系统所处的状况， 一个状态可由一组物理量来描述。 状态信号则可由二进制代码来 表示。水在不同的温度下会有不同状态，温度v0C :固态，温度 100C :气态。固态、液态和气态可用 00、01、10状态信号来表示；开关的状态可用 0和1表示。数字信号幅度的取值是离散的， 幅值表示被限制在有限个数值之内。 例如某种量的二进制

12、编码就 是一种数字信号。根据信号的分类和应用的不同，处理方法也不尽相同。2、数据处理的类型数据处理有多种类型，对于数据采集系统而言有以下分类。（ 1 ）按处理方式分类实 时处理: 在采集数据的同时，对数据进行某种处理，实时处理也称为在线处 理。对于高速数据采集，实时处理必须快，否则会丢失数据。脱 机 处 理 : 非实时处理，处理时间不受限制，可以按要求进行复杂处理。（ 2）按处理性质分类预 处 理 : 去除数据奇异项，数据滤波，数据转换等。二 次处理: 对数据的进一步处理，获得有用的信息。3、数据处理的任务数据处理是必须的，主要任务如下:（1）消除干扰信号 在数据的采集、传送和转换过程中，会受

13、到干扰和噪声的影响， 所采集的数据中 会含有干扰信号， 需要采用各种方法最大限度地消除数据中的干扰成分 ，保证数 据的精确度。消除干扰信号的方法很多， 可采用硬件的方法，例如硬件低通滤波器等；也可采 用软件的方法 ， 例如软件中值滤波算法、惯性滤波等。(2) 进行物理解释 诸如温度、压力等被采集量经传感器转换为电量，该电量在经过采样、量化和 编码等环节之后，送入计算机中变为一组代码，无明确的物理意义。数据处理 任务之一就是要将其还原成原来对应的物理量。(3) 分析数据的内在特征 对采集的数据进行加工(如傅立叶变换)，或在关联的数据之间进行某种运算 (如计算相关函数)，从而得到能表达数据内在特征

14、的二次数据，获取有用的 信息。(4) 数据表示与数据存储 通过某种形式对处理结果做出适当的、直观的表示，以便于信息的理解，如图 形、曲线、表格等。完成数据的存储。§ 9.2 模拟信号的数字化处 理在数据采集系统中， 同时存在着两种不同形式的信号：模拟信号和离散信号。 在 进行数据采集时，首先遇到的问题是如何把传感器所测量的连续模拟信号转换为 离散数字信号。转换过程需经历两个断续过程。1、时间断续对连续的模拟信号x(t),按照一定的时间间隔Ts,抽取相应的瞬时值，这个过程称 为采样。连续的模拟信号x(t)经采样后转换为时间上离散的模拟信号Xs(nTs)，其 幅值仍是模拟信号，称为采样信

15、号。相当于用 时间刀切割原信号的结果。2、数值断续把采样信号Xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化，相 当于拿数值尺度量，采样信号Xs(nTs)经过量化后变换为量化信号Xq(nTJ，再经过 编码，转换为离散的数字信号x(n)，成为时间和幅值离散化的信号，简称为数字 信号。下图是信号的转换过程。可能因采样点过多，导致占用大量的计算机内存，影响处理速度，严重时将 因内存不够而无法工作。可能因采样点太少，采样点之间的距离太大，引起原始数据值失真，不能原 样再现原来连续变化的模拟量 x(t)，从而造成误差。这个原则就是所谓的 香农采样定理。以下先介绍采样过程。一、采样过程在时

16、间和幅值上连续的模拟量 x(t)，通过一个周期性幵闭(周期为Ts,闭合时 间为T的采样幵关K后，输出一串在时间上离散的脉冲信号Xs(nTs)，该过程称为 采样过程。采样幵关输入信号与输出信号的关系为:因为tvvTs，可假设采样脉冲为理想脉冲，x(t)在脉冲出现瞬间nTs取值为 x(nTs)，上式可改写为： 时间为负值无意义，上式又可写成：二、采样定理采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量：Ts太小，采样信号Xs(nTs)数量剧增，占用大量的内存；Ts太小，会丢失某些信息，信号复原会失真，影响精度。1、采样定理设连续信号x(t)，其频谱为X(f)，以采样周期Ts的采样信号为Xs(nTs)。如果频

17、谱和 采样周期满足：(1) 频谱X(f)为有限频谱，即当| f |> fc时，X(f)=0(2) Ts<或2fc<，则连续信号唯一确定，fc为连续信号最高频率结论：对一个具有有限频谱X(f)的连续信号x(t)进行采样，当采样频率fs> 2fc时, 由采样后得到的采样信号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物理意义：连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，信号频率 f在OW f V fc之间。条件2物理意义：采样周期不能大于信号周期 Tc的一半。3、采样定理不使用的情况" 假设连续信号为 其采样值为时，则有4、频

18、混的产生与消除频混的产生当Ts取值过大，在时，将会发生x(t)中高频成分()叠加到低频成分()上去的现象，即频混。为了解释频混，先看一个例子。某一连续信号x(t)中含有频率为900Hz、400Hz、 100Hz的成分，并以fs=500Hz进行采样。此时：fs > 2X100、 fs v 2X 400、 fs v 2X 500理论分析会产生频混现象，实际情况如何？消除频混为了减少频混，通常可以采用两种方法：1) 对频率衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法解决按照采样定理，采样频率fs>2fc,提高采样频率也就是减小采样周期 Ts ;但Ts也 不能过小，Ts过小，增加内存占用量、增加

19、计算量、也会使频域的频率分辨率下 降过多。2) 对于频率衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决在采样前，用截止频率为fc的消除频混滤波器，将信号x(t进行低通滤波，将不感 兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理。这种方法既经济又 简单。三、采样技术()数据采集需遵守采样定理。在高速目标测量或长时间测量的数据采集中，将产生大量 数据，需要很大存储空间，为此必须采用技术手段来适应存储的需要。本节介绍雷达 测速四种采样技术。1、常规采样常规采样就是前面介绍的采样技术，采样连续进行，采样频率由采样定理决定。设雷 达天线回波中，目标的多普勒信号的最高频率fdmax，若采样频率为 fs，则

20、fs = K fdmax (K>2)雷达数据采集和处理分开进行，数据需要存储，存储容量S为模拟信号频率越高，测量时间越长，需要的存储容量越大。2、间歇采样间歇采样过程如下图所示。只要合理调整采样时间段tsi与间歇时间段tGi的比例关系, 就能记录下所有的采样数据。设各采样时间间隔相等，tsi = ts2 =，各间歇时间段也相等，tG1 = tG2 =，间歇时间与采样时间之比a= tGi / fci，采样时间为t,所需的数据存储 容量为 间歇采样，少量信息丢失对速度检测精度不会产生直接影响。4、下采样 有时目标的多普勒信号频率，在整个测量过程中变化不大，为带通信号，可作特殊处理 设信号Xa

21、(t)的频率范围为：式中， 为带宽。当(k为奇整数)或(k'为整数)时，可取采样周期，即时，采样信号的频谱不会发生混叠。为了不失真地恢复信号，可通过一个理想的带通 滤波器，其频率特性为：在进行数据处理时，称带通信号采样为下采样。 优点：下采样的采样频率低，具有测量精度高、数据量小的优点。四、量化与量化误差1、量化来自传感器的连续模拟信号经过采样后， 变成时间上离散的采样信号， 但其幅值 在采样时间T内仍是连续的，因此，采样信号仍然是模拟信号。为了用计算机处理信号， 须将采样信号转换成数字信号。 量化就是把采样信号的 幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较， 以最接近于采样信号幅值的最

22、小 数量单位的倍数来代替该幅值。这一过程称为量化过程，简称 量化。最小数量单位称为量化单位。 量化单位定义为量化器满量程电压 FSR(Full Scale Range)与2n的比值，用q表示：q = FSR / 2nn为量化器的位数。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，量化器位数n越多，量化单位c就越小。 把量化后的信号称为量化信号， 把量化信号的数值用二进制代码来表示， 称为 编 码 。量化信号编码后转换为数字信号，完成量化和编码的器件是模数转换器 ( A

23、DC) 。量化方法人民币的最小单位是分 ， 任何商品的价格都是分的整倍数 。对于不到一分钱的部分， 通 常有 2种处理办法：忽略不计或者四舍五入。类似地，A/D 转换器也有两种量化方法。1) 只舍不入的量化用量化单位均分幅值轴，信号小于量化单位的部分一律舍去。量化信号用 Xq(nTs )表示。当 OW Xq(nTs ) V q时， Xq(nTs )=0 ; 当 q W Xq(nTs )V 2q时，Xq(nTs )= q ; ;以此类推。2) 有舍有入的量化采样信号小于q/2的部分舍去；采样信号大于q/2的部分计入。量化信号用 Xq(nTs)表示。当-q/2W Xq(nTs )V q/2时，Xq(nTs )=0 ;当q/2< Xq(nTs )V3/2q时，Xq(nTs )= q ;以此类推。可以看出，采样信号Xq(nTs )偏置了 q/2。量化误差由量化引起的误差称为量化误差，记为 e ：e = Xs(nTs )- Xq(nTs )式中，Xs(nTs )为采样信号;Xq(nTs )为量化信号。量化误差e的大小与所采用的量化方法有关