数据采集与处理技术

数据采集与处理技术1-8章课后习题答案马明建第三版第一章为绪论1.1数据采集系统的任务：答：数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需数据。同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其总一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。（p15）1.2数据采集系统主要实现哪些基本功能？.答：数据采集系统主要实现以下9个方面的基本功能：数据采集；模拟信号处理；数字信不，治疗；开关信号处理；二次数据计算；屏幕显示；数据存储；打印输出；人机接触。（第15页）1.3简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。答：数据采集系统有两种基本结构形式：一种是微机数据采集系统，另一种是分布式数据采集系统。微型计算机数据采集系统的特点是：系统结构简单，技术容易实现，满足中小规模数据采集要求；对环境要求不高；价格低廉，系统成本低；可座位集散型数据采集系统的一个基本组成部分；其相关模板和软件都比较齐全，容易构成西欧它能够，便于使用与维修。分布式数据采集系统的主要特点是：系统适应性强；系统可靠性高；系统具有良好的实时性；对系统硬件要求低；特别适合在恶劣环境下工作。（第16页）1.4数据采集系统的软件功能模块是如何划分的？各部分都完成哪些功能？答：数据采集系统软件功能模块一般由以下部分组成：（1） 模拟信号采集和处理程序。其主要功能是对模拟量输入信号进行采集、比例变换、滤波处理和二次数据计算，并将数据存储在磁盘中。（2） 数字信号采集与处理程序。其功能是对数字输入信号进行采集及码制之间的转换。（3）脉冲信号处理程序。其功能是对输入的脉冲信号进行电平高低判断和计数。（4） 开关信号处理程序。其功能是判断开关信号输入状态的变化。如果发生变化，则执行相应的处理程序。（5） 运行参数设置程序。其功能是对数据采集系统的运行参数进行设置。（6） 系统管理（主控制）程序。它的功能是将每个模块程序组织成一个程序系统，管理和调用每个功能模块程序，然后管理数据文件的存储和输出。（7） 通信程序。其功能是设置数据传送的波特率（速率），上位机向数据采集站群发送机号，上位机接收和判断数据采集站发挥的机号，命令相应的数据采集站传送数据，上位机接受数据采集站传送来的数据°（p20）1.5模拟信号处理程序的主要任务是什么？答：模拟信号处理程序的主要任务是对模拟输入信号进行采集、缩放变换、滤波和处理次数据计算，并将数据存入磁盘°（p20）1.6数据处理的类型有哪些？答：数据处理的类型通常按照以下方法进行分类：按处理方式划分，数据处理可分为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。按处理的性质划分，数据处理可分为预处理和二次处理两种°（p21）1.7数据处理的主要任务是什么？答：数据处理的主要任务如下：（1）对采集到的电信号做物理量解释（2）消除数据中的干扰信号（3）分析计算数据的内部特征（第22页）第二章模拟信号的数字化处理2.1什么是抽样？（p24）如何确定采样频率？（第26页）2.2试说明，为什么在实际采样中，不能完全满足采样定理一所规定的不失真条件？解：若模拟信号为什么时候模拟信号的采样值为只有在时，xs（nts）与x（t）的幅值才相同。但在工程上很难做到°（p29）2.3对于某一模拟信号x（T），采样时间间隔TS分别为4ms、8ms和16ms。试着找出这个模拟信号的截止频率fc？解决方案：根据采样定理FSN2FC，有FC吗？当TS=4ms时，FS=250HzUFC？那么2250？125hz2125f？？62.5hzts=8msfs=125Hz，当时是c2625？TS=16ms时为31.25hz，FS=62.5hzUFC？22.4哪些因素与采样周期有关？如何选择采样周期？解决方案：（1）采样周期与信号x（T）的截止频率fc有关。（2）根据抽样定理W1.确定采样周期。2fc2。5什么是量化？答：量化是指将采样信号的振幅与最小数量单位的某些列整数倍进行比较，并用最接近采样信号振幅的最小数量单位倍数替换振幅。这个过程简称为“定量过程”。(第41页)2.6对采样信号进行量化的最小数量单位是多少？它与fsr和量化器的位数n之间有何关系？答：最小数量单位是量化单位Q，Q=fsr。n2q与fsr成正比，与2n成反比。2.7绝对误差0lsb是否绝对无误差？它的意义是什么？绝对误差为1/8lsb。有什么意义？答：它不是没有错误的。LSB表示数字的最右边的位，即最低有效位；LSB=q=q的定义：LSB表示可由n位二进制除法器区分的最小模拟量。2.8什么是编码？答：编码是指把量化信号的电平用数字代码表示°(p47)2.9把十进制256转换成相应的bcd码。答：(256)=(1001010110)2.10用补码2计算表达式“16-5”的值。答：16-5=16+(-5)=(10000)b+(11011)b=(01011)b(不考虑进位)FSR，根据第3章量化单元2n的模拟多路复用器3.1模拟多路开关的接通电阻ron比一般的电子开关更大还是更小？答：模拟多路开关的导通电阻一般较大，理论值小于100欧姆。(导通电阻随温度变化而变化)。电子开关(如簧片)的导通电阻相对较小，导通电阻趋于0，可视为理想开关。模拟开关是通过数字量来控制传输门(tg)的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用来代替继电器。它的缺点是导通电阻不够小(几十至几百欧)，断开时仍有泄露电流(约0.1)，且通过的电流一般为毫安级。3.2模拟多路复用器的输入端子有多少个？通道选择器的输出有多少个端子？A：模拟多路复用器的输入端一般为8个端子，输出端为1个端子的通道选择器。3.3—个数据采集系统有8个模拟通道，每个通道的输入信号频率可达到5KHz，每个采样周期至少应使用10个采样点的采样速度进行采样。Q：(1)多通道交换机的切换速率应该是多少？(2)可以选择什么类型的多路复用器？解：⑴・「fc=5khz，采样频率fs?2fc?2?5?10?1?10(hz)采样周期ts?3411??1?10?4(s)?0.0001(s)4fs1?10ts0.0001??0.00001(s)1010每个采样点的采样周期td?「・切换速率v?11??100000(hz)?100(khz)td0.00001⑵..•由表3.5可知，cd4051的ton和toff都为0.8us那么CD4051开关的切换时间是1.6^s。开关的切换速率是多少？1.625000?625khz?61.6?10——多路复用器选择CD4051。3.4某数据采集系统要求有20个模拟通道，信号电平范围为100mv，并要求开关的导通电阻不到1欧，各通道信号的频率为2.5khz,要求每个采样周期至少采5个采样点，问：（1）开关的切换率应是多少？（2）什么样的多通道交换机是合适的？回答：（1）FC=2.5hz，FS？2fc？5hz，ts？1t？0.2秒，ts？s0.04sfc51开关频率是多少？25ts（2）可选用cd4501的多路开关，将3片cd4501加以组合，用门电路组成地址译码器3个选址信号，分别接各片的禁止端，扩展通道数为24个，选用其中20个。第四章测量放大器4.1为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？答：在数据采集系统中，来自传感器的模拟信号通常非常微弱，远低于通用运算放大器的输入偏移电压和温度漂移电压。因此，这些信号不能由通用运算放大器放大，而必须由温度漂移小、偏置电压低、增益稳定、抗共模干扰能力强的测量放大器放大。4.2用测量放大器建立数据采集系统，RG=100kQ，r4=10kQ，R5=20K已知R1=R2=5KQ£，若r4和r5的精度为0.1%，试求次放大器的增益及cmrr.解：r3=r4=10000?2r1？R5000？20000??K1.1.2.202rg？r3100？10000??cmrr=20logvcm？20log202？20?2.305?46.1.4。3将ad521测量放大器的增益设置为100，尝试绘制其接线原理图，并计算外部电阻值。解决方案：当放大器的增益时什么时候又・「rs=100±15%当rs=100+15%时，当rs=100-15%时，其接线原理图4.4试分析图4-2测量放大器输入级两运放的输入失调电压大小对测量放大器性能指标的影响。要提高测量放大器的性能，对其三个运放的性能有什么特殊要求？入：输入级A1A2的偏移电压相互抵消。A1A2的特性不完全对称时偏移电压的参数值。放大后，发送至A3。为了提高测量放大器的性能，A1A2的特性应尽可能对称。4.5设计一个由8301单片机程控隔离放大器增益的接口电路。已知输入信号小于10mv，要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减至原来的1/2.第五章样品/支架5.1采样/保持器在模拟信号频率很低时，是否有必要使用？在模拟信号频率很高时呢，为什么？答：当输入信号频率很低时，由于模拟信号的电压在A/D转换过程中几乎是恒定的