第十七章 测量信号的采集与显示

第17章测量信号的采集与显示 17.1数据采集技术 17.1.1数据采集系统的主要功能 17.1.2数据采集系统的结构及原理 17.2数据的显示 17.2.1辉光数码管 17.2.2荧光数码管 17.2.3LED数码管 17.2.4LCD显示器 17.2.5DVM显示器 17.2.6CRT显示器 17.2.7数字存储示波器

以计算机为中心的现代测试系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，能最大限度地完成测试工作的全过程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理求得有用信息。信号数据采集是对多路模拟信号进行长时间数字化测量,从而获得大量数据以便进一步进行分析与处理。它是外部被测模拟信号进入测量仪器、系统的必经前置通道，有时也叫预处理系统。它的目的是使一个在时间与幅值上都连续变化的模拟信号在时间上被离散化，在幅值上被量子化（或数字化）。17.1数据采集技术17.1.1数据采集系统的主要功能数据采集系统的主要功能有三:其一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换；其二是由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样，时间连续信号x（t）经过采样后变为离散时间序列x（n），n＝0，1，2，…；其三是将信号的采样值由A/D转换器转换为幅值离散化的数字量，或由V/F转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。17.1.2数据采集系统的结构及原理1．数据采集的基本原理通过数据采集系统将信号存储起来，用于进行处理和显示。数据采集系统的基本结构如图所示：

采样保持器S/H（Sample/Hold）具有采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。在“采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。转为“保持”状态后，电路的输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信号，直至进入下一次采样状态为止。这种电路多用于快速数据采集系统以及一切需要对输入信号瞬时采样和存储的场合，如自动补偿直流放大器的失调和漂移、模拟信号的延迟、瞬态变量的测量及模数转换等。图(a)是集成采样-保持电路的原理图。其中A1、A2分别为输入和输出运算放大器，S是电子开关，L是开关驱动电路，UI是开关控制信号，Ch为保持电容。为了使电路不影响输入信号源，要求A1具有很高的输入阻抗；为了在保持阶段使Ch不易泄放电荷，要求A2也具有很高的输入阻抗，同时作为输出级的A2还必须具有很低的输出阻抗。为此A1、A2均工作在单位增益的电压跟随器状态。

为了使采样输出信号U0能不失真地代表输入模拟信号，除保证采样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。S/H电路采样过程如图(b)所示，当模拟信号ui＝f（t）通过一个受采样脉冲信号fs（t）控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信号。不难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔愈短，获得的离散信号亦愈多。从离散信号中恢复原信号的必要条件是：若被采样的信号f（t）的最高频率为fmax，为了复现该波形，必须要求采样间隔小于1/（2fmax）s，也就是说采样频率fs大于模拟信号中最高频率的2倍，这便是采样定理的要求。事实上，采样后所获得的离散信号是模拟信号f（t）与采样脉冲fs（t）相乘的结果，而周期性采样脉冲fs（t）可以用傅立叶级数表示为式中的fs＝1/Ts为采样脉冲的重复频率，因而采样后输出信号为

不难看出，只要离散信号的频谱互不重叠，就可以用一个低通滤波器取出离散信号中fmax以下的频谱。换句话说，欲从离散信号中恢复原信号的必要条件是即采样频率fs应大于模拟信号最高频率fmax的两倍，这就是采样定理。采样定理指出，当采样频率大于两倍的信号最高次谐波频率时，就可用时间离散的采样点恢复原来连续信号。所以采样/保持器是以“快采慢测”的方法实现了对快变信号进行测量的有效手段。

对于一个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频率fs≥fmax，通常选择采样频率fs=（2.5～3）fmax。由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲，而要把一个采样信号数字化需要一定的时间，因此在前后两次采样之间，应将采样的模拟信号暂时存储起来，以便将它们数字化。把每次的采样值存储到下一个脉冲到来之前称为保持。实际工程测量信号大多是模拟信号，必须将它们转换为数字量才能为微处理器、计算机接受。因此，A/D转换器是数据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转换速度。

A/D（Analog/Digital）转换器将模拟信号转换成数字信号然后将数据存储到计算机。采样保持器使得在A/D转换期间，输入到A/D转换器的信号保持不变。若信号的变化相对A/D转换速度较缓慢，则可以不用采样保持器。具体内容可参考第16章测量信号的调理。频率是一准数字量，使用V/F变换器也是实现模/数转换的一种很好的方式。与A/D转换器相比，它与计算机接口简单、灵活，占用计算机资源少；频率信号抗干扰性能强。在非快速过程，信号的测量系统中往往使用V/F转换代替A/D转换。2．通用标准接口型数据采集系统为了使数据采集系统的集成更方便，数据采集常采用通用标准接口总线的模块组成数据采集系统。数据采集模块完成信号的模数转换功能，然后通过标准总线将数据传输到微机系统。其结构如图所示。

标准通用接口型数据采集系统是由模块（如台式仪器或插件板）组合而成，所有模块的对外接口都按规定标准设计。组成系统时，若模块是台式仪器，用标准的无源电缆将各模块接插联接起来就构成系统。若模块为插件板，只要将各插件板插入标准机箱即可。组建这类系统非常方便，例如GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口总线)、VXI(VMEbusExtensionsforInstrumentation，测试仪器总线标准)就属这类系统，虽然首次投资大，但有利于组建大，中型测量系统。GPIB是一种通用接口测试系统。它是由一台PC(PersonalInstrument)机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统组成。其中每个仪器子系统是一台带GPIB接口的单台仪器。该接口在功能上、电气上和机械接插件上都按国际标准设计，内含16条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也相互兼容具有互换性，组建系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作单台仪表独立使用。一块GPIB接口卡可带多达14台仪器。VXI是结合GPIB仪器和数据采集板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。VXI总线是一种高速计算机总线。VXI总线系统是机箱式结构。一个接插模件就相当于一台仪器或特定功能的器件，多个模件共存于一个机箱组成一个测试系统。随着VXI总线规范的不断完善和发展、VXI即插即用系统联盟的不懈努力，VXI系统的组建和使用越来越方便，它的高速率传输、模块式结构不仅使得仪器结构紧凑、小巧轻便，更使得集多种功能于一体的现代集成式虚拟仪器变成现实。

除此之外，目前较为流行的总线标准还有PCI(PeripheralComponentInterconnect)，cPCI(compactPeripheralComponentInterconnect)，USB(UniversalSerialBus)等。VXI，cPCI是专门针对数据采集系统的总线标准，具有抗干扰能力强，工作可靠的优点，但对应的采集模块和微机系统价格较高；PCI和USB总线是个人计算机的标准总线，并非为数据采集而设计，因此在性能上比VXI和cPCI差，但价格较低，因此应用很广泛。由于受总线传输速度和操作系统软件的限制，通过总线方式集成的采集系统一般不具备实时采集的功能，为了完整地采集一段时间的信号，通常在采集模块上装配容量较大的存储器，采集到的数据先保存在缓冲存储器中，然后通过总线分批传送到计算机。

17.2数据的显示数据显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等三部分组成，如图所示。译码器电路要将二进制数码转换成数码管能够接收的控制信号，驱动电路的作用是加大这一控制信号，显示器是用来显示数字、文字或符号的器件。

数据显示方式目前以分段式应用最普遍，图表示七段式数字显示器利用不同发光段方式组合，显示０～15等阿拉伯数字。在实际应用中，10～15并不采用，而是用２位数字显示器进行显示。显示器显示十进制数字或其他字符。常用的数据显示装置有：辉光数码管，荧光数码管，发光二极管显示装置，简称LED（LightEmittingDiode），液晶显示装置简称LCD（LiguidCrystalDisplay）和CRT（CathodeRayTube）等。17.2.1辉光数码管它是一个早期研制出来的数码显示器件，在玻璃壳内充惰性气体，通过辉光放电来达到显示的效果。它有一个公共阳极和11个阴极，如图所示。

辉光数码管的优点是图形清晰、亮度较强；缺点是工作电压较高，体积较大，寿命不够长。17.2.2荧光数码管它是电真空器件，其玻璃外壳常做成手指形或扁平形，内部由灯丝（阴极）、网状金属栅极和九个独立的阴极所组成，如图所示。荧光数码管的优点是阳极电流较小（2mA）可直接由CMOS集成电路驱动，如图所示。它的字形清晰，工作电压不高（20V），缺点是工作时需加热灯丝，因此消耗较多的功率。此外，灯丝的寿命也比较短（2000小时）。17.2.3LED数码管1.LED数码管的结构和原理LED数码管由制成条形的发光二极管组成，共有8个，每个发光二极管是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料不同可以发出诸如红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为2V左右，工作电流一般在10～20mA之间较为适宜。LED数码管的优点是工作电压低（LED的正向压降小于2V），体积小，寿命长，可靠性高，响应时间短（小于0.1μs），亮度也较高；最大缺点是只能显示数字，不能显示例如图形、文字等，工作电流也较大（10mA）。LED呈“日”字形，各段依次记为a、b、c、d、e、f、g、h（或dp－小数点），通过控制发光管点亮时的不同段组合，可以显示0～9和A～F等数字字符（包括小数点），从而可实现十六进制数的显示，如图所示。例如，为了显示9，我们可以控制让a、b、c、f、g段点亮。

利用CMOSCD4511译码器驱动共阴极LED数码管的电路如图。

2.LED显示器的显示方式多位LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。(1)多位LED静态显示方式多位静态显示就是各位同时显示，为了实现这种显示方式，各位LED显示器的位选端应连接在一起固定接地（共阴极）或接＋5V（共阳极），而每位LED显示器的段选端分别接一个8位并行I/O口或一个8位锁存器如图所示。这种显示方式的优点是显示亮度大，显示程序简单，占用CPU工作时间少，缺点是占用I/O资源较多，故在位数较多时往往采用动态方式。(2)多位LED动态显示方式多位动态显示就是逐位轮流显示。由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时显亮的视觉。为了实现这种显示方式，所有位的段选端应并接在一起，由一个8位I/O口控制，而各位的位选端分别由相应的I/O口线控制，如图17.13所示。八位LED动态显示只需两个8位I/O口，其中一个控制段选，另一个控制位选。某一位的位选端加“0”，其余位的位选端均加“1”，则该位共阴极LED显示由段选码确定的字形，而其余各位均熄灭。段选码、位选码每次送入后延时1～5ms，以造成视觉残留效果和一定的亮度。不断循环送出相应的段选码、位选码，每次循环（刷新）周期选择在50ms左右，就可以获得视觉稳定的显示效果。3.CMOS－LED组合器件CMOS－LED组合器件简称CL，它是把CMOS计数/锁存/译码/驱动/LED显示这5种功能集于一身构成的新颖显示器件，因此也称“五合一”电路。多位CL组件是采用电子模块技术而制成的系列化产品，它是将3～8只CL组合器件安装在印制板上，并与显示窗的框架固定在一起，成为一体化产品，为实现数显器件的通用化和耐久性开辟了一条新途径。17.2.4LCD显示器1.液晶显示器的基本结构和工作原理液晶是介于固态和液态之间的晶状物质，是即具有液体流动特性，又具有晶体光学特性的有机化合物。液晶分子呈长棒形，分子两头有极性。在它的两端加上电极，若无电场作用，液晶的分子按一定的取向整齐排列，如图（a）所示。这时射入的光线大部分由反射电极反射回来，显示出白色。当电极加了电压后，液晶因电离而产生正离子，它们碰撞液晶分子后，使液晶呈混浊状态见图（b），射入的光线仅有少量射回来，故显示器变为暗灰色。如果将七段透明的电极排列成8字形，就能显示数码。为了使离子撞击液晶分子的过程不断地进行，通常在液晶显示器的两个电极上加以频率为数十到数百赫的交流电压，并用逻辑门来控制。2.液晶显示器的驱动方式LCD常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号，其驱动电压范围是3～6V。由于LCD是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大，而且显示频率升高，对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD就不能显示了，所以，LCD适用于低频下工作。LCD的驱动方式分为静态和动态两种。不同的LCD显示器要采用不同的驱动方式。静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极将连在一起后引出。显然，显示位数越多，引出线也越多，相应的驱动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。动态驱动方式可以减少LCD的引出线和相应的驱动电路，故适用于显示位数较多的场合。动态驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。分时驱动是常用的动态驱动方法。

用数字集成电路C306来驱动液晶显示器如图所示。液晶显示器的优点是功耗极小（小于每平方厘米1μW），工作电压很低（2～5V），适合与CMOS电路配合，字迹清晰，在同一个显示面内可以显示数码、字符、图像，不怕强光照射，体积小，重量轻，制造工艺简单，因此价格低廉，广泛应用于电子手表、计算器、便携式计算机和电视接收机以及各种便携式仪表及装置中。它的缺点是反应速度较慢（10～200ms），亮度较低，在低照度下难以辨认，不适合在潮湿环境下工作。17.2.5DVM显示器上述LED显示器和LCD显示器与单片双积分式A/D转换器相结合，可以组成测量直流电压的数字电压表，简称DVM（DirectVoltageMultiply）。由于电压这个物理量是一种最基本的电量，而且很多其它的电量和非电量，都可以转换为直流电压来进行测量。因此，由单片机A/D构成的数字电压表已被广泛用于电工及电子测量、工业自动化仪表和自动测试系统等领域，已显示出强大的生命力。1．由LED构成的DVM由LED显示的数字电压表有两种组成结构，一种是采用可直接驱动LED静态显示器的集成双积分式A/D转换器，如ICL7107（位），ICL7117（位），与共阳极LED显示器直接相连。另一种是采用输出为BCD码动态扫描方式集成双积分式A/D转换器，如MC14433（位），ICL7135（位），通过BCD－7段译码/驱动器与LED显示器相连。2．由LCD构成的DVM由LCD显示的数字电压表，也有两种组成结构，一种是采用可直接驱动LCD显示器的集成双积分式A/D转换器，如ICL7106，ICL7116，ICL7126和ICL7136（都为位），与LCD显示器直接相连。另一种是采用输出为BCD码动态扫描方式的集成双积分式A/D转换器，如MC14433和ICL7135等通过锁存/译码器与LCD显示器相连。17.2.6CRT显示器阴极射线管（CRT）按其电子束聚焦和偏转的方式可分为三种类型：（1）静电式：采用静电聚焦与静电偏转，常用作示波管；（2）电磁式：采用磁聚焦和磁偏转，常用于电视机；（3）混合式：采用静电聚焦和磁偏转，是目前图像与字符显示中最常用的一种，如图所示。传统的示波器显示特点是，电子束强弱固定不变，电子束的偏转由X，Y轴输入变量控制，因此显示出的信号是随时间变化的波形或变量x，y的函数关系；用于图形和字符显示CRT，其特点是电子束偏转受固定的水平扫描信号和垂直扫描信号控制，而电子束的有无或强弱则受视频信号控制。因此，电子束从左到右、从上到下扫过整个屏幕，使屏幕上出现一幅画面。画面上即可显示图形，也可显示字符。这种CRT显示器不仅被用作计算机系统的人－机对话装置，而且也越来越广泛地用作新型电子仪器和测控系统的显示装置。CRT显示器采用了光栅扫描技术进行屏幕显示。光栅扫描式显示器形成字符的方法一般采用点阵法。最常用的是5×7点阵，即每个字符有7条行扫描线，每行5个小点，如果把