1、數據采集第九章 數據 采集技術主要內容 數據采集概述，什么是數據采集 模擬信號的數字化處理 多路模擬開關、測量放大器 采樣/保持電路 模/數轉換器、數/模轉換器 數據采集的抗干擾技術 傳感器、數據采集系統設計（自學內容）2001年4月1日，一架美國海軍EP-3型偵測機在南中國海進行偵察，中國海 軍航空兵派出2架殲-811戰斗機進行監視和攔截，其中一架僚機在海南島東南 70海里上空與美機發生碰撞、墜毀，飛行員王偉跳傘，下落不明， 后確認犧 牲，美國軍機迫降海南島陵水機場執行偵查任務?a?a收集中國軍事情報。2008年9月25日，神舟七號飛船在酒泉衛星發射中心發射。點火583秒，飛船與火 箭在高度

2、約200公里處成功分離。發射測控網共設 13個站，其中上升段有3個站：發射場的東風站、渭南站和青島 站， 這三個站負責飛船在上升段的測量，覆蓋率達到100%。入軌段有兩條測量 船：遠望一號和遠望二號對象測控？a?a數據采集與目標控制類似的例子很多，如物聯網。上述實例中，進行情報收集或完成測控任務， 完全依賴于信息技術。信息技術的核心包括信息獲取、通信傳輸以及計算機數據處理技術，其中 信息獲取是基礎和前提， 而信息獲取的主要手段是數據采集技術；數據采 集技術隨著微電子技術、電子技術、計算機技術的進步得到迅速發展，發 揮著越來越重要的作用。數據采集技術與計算機技術密切相關，根據大綱要求，在計算機原

3、理課程 中增加數據采集技術的內容。§ 9.1 概 述一、數 據采集的基 本概念1、數據采集 計算機處理的對象是數字量，而外部世界的大部分信息是連續變化的物理量，例如 溫度、壓力、位移、速度，要將這些信息送入計算機進行處理，就必須先把這些連 續的物理量離散化，即進行量化編碼，變成數字量才能實現。數據采集就是將被測對象的各種參量通過傳感器做適當轉換后， 由非電量變換成電 量，再經過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟 ，輸入計算機進行處理或存 儲記錄的過程 。2、數據采集系統用于數據采集的成套設備稱為 數據采集系統，計算機是數據采集系統的核心，完成 對整個采集過程的控制、對采集的數據進

4、行處理的任務。3、數據采集系統任務 數據采集系統的任務主要有三項： 把模擬信號轉換為計算機能識別的數字信號，送入計算機 通過計算機進行計算和處理，得到有用的信息 實現對過程或目標（某些物理量）的監視與控制二、數據采集系統的基本組成 數據采集系統包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數字部分 硬件基本組成示意圖如下。常把傳感器輸出到A/D轉換器輸出的信號通道稱為模擬通道1、傳感器 傳感器的作用是把非電量的物理量轉變成模擬電信號，例如電流、電壓、頻率或脈 沖等。舉例：熱電阻可以把變化的溫度轉換為變化的電壓； 轉速傳感器把轉速轉換為電脈沖，等。2、放大器 放大器用來放大和緩沖輸入信號。

5、傳感器輸出的信號較小，通常在幾毫伏到幾十毫伏之間，人體生物電信號為微伏量級。需要放大,以滿足ADC滿量程輸入的要求,如5 10V。放大器還起到阻抗變換 器的作用，來緩沖輸入信號。放大器的種類比較繁雜。3、濾波器濾波器用來衰減噪聲，以提高輸入信號的信噪比 傳感器和電路中的器件會產生噪聲，人工發射源通過耦合使信號通道感染噪聲，其 它用電器產生的諧波污染等。數據采集必須有效去除噪聲才能獲得可信的數據。4、多路模 擬開關多路模擬開關為電子開關，用來分時選通來自多個輸入通道中的某一路信號，以實現多路巡回檢測。功能：擴展輸入路數，減少后續電路器件數（S/H、ADC等只需1套）。可節省成本和體積，但會降低采

6、集速度，增大誤差，適合變化緩慢的物理信 號。5、采 樣/ 保持電路（ S/H）A/D轉換器完成一次轉換需要一定的時間，這段時間內，A/D轉換器的模擬輸入信號不能變化，否則不能保證轉換精度。采樣 /保持電路的主要作用是快速拾取模擬輸入信號，并保持其幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度；如果把S/H電路放在多路開關之前，可實現對多路模擬瞬 時信號同時采樣。6、模數轉換器（ADC） 模數轉換器的主要作用是把模擬信號轉換為數字信號， 其輸入是采樣 /保持電路的輸 出，輸出是計算機接口的輸入。ADC是模擬輸入通道的關鍵電路，是影響系統采樣 速度和精度的主要因素之一。7、計算機I/O接口A/D轉換結果要

7、送入計算機處理，而數據處理后還要送出計算機，都需要借助于計 算機 I/O 接口完成。8、定時與 控制邏輯 在數據采集系統中，各器件的定時關系是非常嚴格的，如果定時不合適，會嚴重影 響系統的采樣精度。例如，在多路模擬開關、采樣/保持，AD轉換之間，哪個開啟、開啟多長時間有嚴 格的規定。定時與控制邏輯側重于為完成數據采集任務所進行的控制功能， 是面向系統的。 定 時與控制邏輯在結構圖中沒有畫出。三、數據采集系統的主要指標 對數據采集系統性能指標的要求主要取決于具體應用的目的和應用的環境。 以下介 紹幾個常用指標的含義。1、系統分 辨率 數據采集系統可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常用最低有效位值

8、（ LSB ）占 滿量程的 百分比表示，或用系統可分辨的 最小電壓值或滿量程可劃分的 級數表示。以10V滿量程為例：2、系統精度系統精度是系統的實際輸出值與理論輸出值之差，通常表示為滿量程的百分數。系 統精度是系統各種誤差的總和，模數轉換器的精度是系統精度的極限值。實際情況 是，系統精度達不到數模轉換器的精度3、采集速率采集速率也叫吞吐率，是指在滿足精度指標的前提下，系統對輸入模擬信號在單位 時間內所完成的采集次數。采樣速率是采樣周期的倒數，采樣周期表征了系統每采集一個有效數據所需的時 間。采樣周期內需完成采樣、量化、編碼、傳輸、處理等的全部工作。4、動態范圍某個物理量的變化范圍，即信號的最大

9、幅值和最小幅值之比的分貝數。設允許輸入信號的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，則動態范圍表示為：imaxVimaxIi =20lg5、非線性失真 非線性失真也叫諧波失真， 多頻率為kf （k為正整數） 真系數衡量Vimin當系統輸入一個頻率為f的正弦波時，其輸出中出現很 的新的頻率分量，這種現象稱為非線性失真。用諧波失四、數據處理的任務數據采集是以傳感器技術、信號檢測與處理、電子學、計算機技術等為基礎而形成 的一門綜合應用技術學科，除硬件設備外，往往需要軟件的支持，以對所采集的數 據進行分析與處理，并完成信息的表示等，是軟件要完成的任務。數據類型的不同、應用領域的不同，數據處理方法會有很

10、大差別。本章的重點放在 數據采集原理上，而對具體的數據處理方法將不作詳細介紹。1、信號分類 丿 Li、0信息通過信號來傳遞，信號是信息的載體，是信息的表現形式。數據采集的對象是 信號；數據處理的目的是獲取信息。信號數據信息了解信號的分類有利于找到規律，便于數據處理。（1）按信號特性分類確定信號：能用確定的圖形、曲線、數學解析式等準確描述的信號，如正弦曲線、 指數曲線等。?周期信號：按一定周期重復出現的信號。?非周期信號：不按固定周期出現的信號。隨機信號：不能用確定的圖形、曲線、數學解析式等準確描述的信號，但服從某 種統計規律，如產品的合格率等。? 平穩隨機信號：統計特性不隨時間變化。?非平穩隨

11、機信號：統計特性隨時間變化。上述信號還可以繼續分類， 如周期信號可分為諧波信號和復雜周期信號等， 這里 不再討論。（ 2）按信號形式分 類模擬信號幅度的取值是連續的， 為時間上連續變化的信號， 如電壓、 溫度等， 輸入計算機前需要 經過采樣、量化和編碼，進行離散化。狀態信號物質系統所處的狀況， 一個狀態可由一組物理量來描述。 狀態信號則可由二進制代碼來 表示。水在不同的溫度下會有不同狀態，溫度v0C :固態，溫度 100C :氣態。固態、液態和氣態可用 00、01、10狀態信號來表示；開關的狀態可用 0和1表示。數字信號幅度的取值是離散的， 幅值表示被限制在有限個數值之內。 例如某種量的二進制

12、編碼就 是一種數字信號。根據信號的分類和應用的不同，處理方法也不盡相同。2、數據處理的類型數據處理有多種類型，對于數據采集系統而言有以下分類。（ 1 ）按處理方式分類實 時處理: 在采集數據的同時，對數據進行某種處理，實時處理也稱為在線處 理。對于高速數據采集，實時處理必須快，否則會丟失數據。脫 機 處 理 : 非實時處理，處理時間不受限制，可以按要求進行復雜處理。（ 2）按處理性質分類預 處 理 : 去除數據奇異項，數據濾波，數據轉換等。二 次處理: 對數據的進一步處理，獲得有用的信息。3、數據處理的任務數據處理是必須的，主要任務如下:（1）消除干擾信號 在數據的采集、傳送和轉換過程中，會受

13、到干擾和噪聲的影響， 所采集的數據中 會含有干擾信號， 需要采用各種方法最大限度地消除數據中的干擾成分 ，保證數 據的精確度。消除干擾信號的方法很多， 可采用硬件的方法，例如硬件低通濾波器等；也可采 用軟件的方法 ， 例如軟件中值濾波算法、慣性濾波等。(2) 進行物理解釋 諸如溫度、壓力等被采集量經傳感器轉換為電量，該電量在經過采樣、量化和 編碼等環節之后，送入計算機中變為一組代碼，無明確的物理意義。數據處理 任務之一就是要將其還原成原來對應的物理量。(3) 分析數據的內在特征 對采集的數據進行加工(如傅立葉變換)，或在關聯的數據之間進行某種運算 (如計算相關函數)，從而得到能表達數據內在特征

14、的二次數據，獲取有用的 信息。(4) 數據表示與數據存儲 通過某種形式對處理結果做出適當的、直觀的表示，以便于信息的理解，如圖 形、曲線、表格等。完成數據的存儲。§ 9.2 模擬信號的數字化處 理在數據采集系統中， 同時存在著兩種不同形式的信號：模擬信號和離散信號。 在 進行數據采集時，首先遇到的問題是如何把傳感器所測量的連續模擬信號轉換為 離散數字信號。轉換過程需經歷兩個斷續過程。1、時間斷續對連續的模擬信號x(t),按照一定的時間間隔Ts,抽取相應的瞬時值，這個過程稱 為采樣。連續的模擬信號x(t)經采樣后轉換為時間上離散的模擬信號Xs(nTs)，其 幅值仍是模擬信號，稱為采樣信

15、號。相當于用 時間刀切割原信號的結果。2、數值斷續把采樣信號Xs(nTs)以某個最小數量單位的整倍數來度量，這個過程稱為量化，相 當于拿數值尺度量，采樣信號Xs(nTs)經過量化后變換為量化信號Xq(nTJ，再經過 編碼，轉換為離散的數字信號x(n)，成為時間和幅值離散化的信號，簡稱為數字 信號。下圖是信號的轉換過程。可能因采樣點過多，導致占用大量的計算機內存，影響處理速度，嚴重時將 因內存不夠而無法工作。可能因采樣點太少，采樣點之間的距離太大，引起原始數據值失真，不能原 樣再現原來連續變化的模擬量 x(t)，從而造成誤差。這個原則就是所謂的 香農采樣定理。以下先介紹采樣過程。一、采樣過程在時

16、間和幅值上連續的模擬量 x(t)，通過一個周期性幵閉(周期為Ts,閉合時 間為T的采樣幵關K后，輸出一串在時間上離散的脈沖信號Xs(nTs)，該過程稱為 采樣過程。采樣幵關輸入信號與輸出信號的關系為:因為tvvTs，可假設采樣脈沖為理想脈沖，x(t)在脈沖出現瞬間nTs取值為 x(nTs)，上式可改寫為： 時間為負值無意義，上式又可寫成：二、采樣定理采樣周期Ts決定了采樣信號的質量和數量：Ts太小，采樣信號Xs(nTs)數量劇增，占用大量的內存；Ts太小，會丟失某些信息，信號復原會失真，影響精度。1、采樣定理設連續信號x(t)，其頻譜為X(f)，以采樣周期Ts的采樣信號為Xs(nTs)。如果頻

17、譜和 采樣周期滿足：(1) 頻譜X(f)為有限頻譜，即當| f |> fc時，X(f)=0(2) Ts<或2fc<，則連續信號唯一確定，fc為連續信號最高頻率結論：對一個具有有限頻譜X(f)的連續信號x(t)進行采樣，當采樣頻率fs> 2fc時, 由采樣后得到的采樣信號Xs(nTs)能無失真地恢復為原來信號x(t)。2、采樣定理中兩個條件的物理意義條件1物理意義：連續模擬信號x(t)的頻率范圍是有限的，信號頻率 f在OW f V fc之間。條件2物理意義：采樣周期不能大于信號周期 Tc的一半。3、采樣定理不使用的情況" 假設連續信號為 其采樣值為時，則有4、頻

18、混的產生與消除頻混的產生當Ts取值過大，在時，將會發生x(t)中高頻成分()疊加到低頻成分()上去的現象，即頻混。為了解釋頻混，先看一個例子。某一連續信號x(t)中含有頻率為900Hz、400Hz、 100Hz的成分，并以fs=500Hz進行采樣。此時：fs > 2X100、 fs v 2X 400、 fs v 2X 500理論分析會產生頻混現象，實際情況如何？消除頻混為了減少頻混，通常可以采用兩種方法：1) 對頻率衰減較快的信號，可用提高采樣頻率的方法解決按照采樣定理，采樣頻率fs>2fc,提高采樣頻率也就是減小采樣周期 Ts ;但Ts也 不能過小，Ts過小，增加內存占用量、增加

19、計算量、也會使頻域的頻率分辨率下 降過多。2) 對于頻率衰減較慢的信號，可用消除頻混濾波器來解決在采樣前，用截止頻率為fc的消除頻混濾波器，將信號x(t進行低通濾波，將不感 興趣或不需要的高頻成分濾掉，然后再進行采樣和數據處理。這種方法既經濟又 簡單。三、采樣技術()數據采集需遵守采樣定理。在高速目標測量或長時間測量的數據采集中，將產生大量 數據，需要很大存儲空間，為此必須采用技術手段來適應存儲的需要。本節介紹雷達 測速四種采樣技術。1、常規采樣常規采樣就是前面介紹的采樣技術，采樣連續進行，采樣頻率由采樣定理決定。設雷 達天線回波中，目標的多普勒信號的最高頻率fdmax，若采樣頻率為 fs，則

20、fs = K fdmax (K>2)雷達數據采集和處理分開進行，數據需要存儲，存儲容量S為模擬信號頻率越高，測量時間越長，需要的存儲容量越大。2、間歇采樣間歇采樣過程如下圖所示。只要合理調整采樣時間段tsi與間歇時間段tGi的比例關系, 就能記錄下所有的采樣數據。設各采樣時間間隔相等，tsi = ts2 =，各間歇時間段也相等，tG1 = tG2 =，間歇時間與采樣時間之比a= tGi / fci，采樣時間為t,所需的數據存儲 容量為 間歇采樣，少量信息丟失對速度檢測精度不會產生直接影響。4、下采樣 有時目標的多普勒信號頻率，在整個測量過程中變化不大，為帶通信號，可作特殊處理 設信號Xa

21、(t)的頻率范圍為：式中， 為帶寬。當(k為奇整數)或(k'為整數)時，可取采樣周期，即時，采樣信號的頻譜不會發生混疊。為了不失真地恢復信號，可通過一個理想的帶通 濾波器，其頻率特性為：在進行數據處理時，稱帶通信號采樣為下采樣。 優點：下采樣的采樣頻率低，具有測量精度高、數據量小的優點。四、量化與量化誤差1、量化來自傳感器的連續模擬信號經過采樣后， 變成時間上離散的采樣信號， 但其幅值 在采樣時間T內仍是連續的，因此，采樣信號仍然是模擬信號。為了用計算機處理信號， 須將采樣信號轉換成數字信號。 量化就是把采樣信號的 幅值與某個最小數量單位的一系列整數倍比較， 以最接近于采樣信號幅值的最

22、小 數量單位的倍數來代替該幅值。這一過程稱為量化過程，簡稱 量化。最小數量單位稱為量化單位。 量化單位定義為量化器滿量程電壓 FSR(Full Scale Range)與2n的比值，用q表示：q = FSR / 2nn為量化器的位數。例2.1 當 FSR=10V，n=8 時，q=39.1mV;當 FSR=10V，n=12 時，q=2.44mV;當 FSR=10V，n=16 時，q=0.15mV。由此可見，量化器位數n越多，量化單位c就越小。 把量化后的信號稱為量化信號， 把量化信號的數值用二進制代碼來表示， 稱為 編 碼 。量化信號編碼后轉換為數字信號，完成量化和編碼的器件是模數轉換器 ( A

23、DC) 。量化方法人民幣的最小單位是分 ， 任何商品的價格都是分的整倍數 。對于不到一分錢的部分， 通 常有 2種處理辦法：忽略不計或者四舍五入。類似地，A/D 轉換器也有兩種量化方法。1) 只舍不入的量化用量化單位均分幅值軸，信號小于量化單位的部分一律舍去。量化信號用 Xq(nTs )表示。當 OW Xq(nTs ) V q時， Xq(nTs )=0 ; 當 q W Xq(nTs )V 2q時，Xq(nTs )= q ; ;以此類推。2) 有舍有入的量化采樣信號小于q/2的部分舍去；采樣信號大于q/2的部分計入。量化信號用 Xq(nTs)表示。當-q/2W Xq(nTs )V q/2時，Xq(nTs )=0 ;當q/2< Xq(nTs )V3/2q時，Xq(nTs )= q ;以此類推。可以看出，采樣信號Xq(nTs )偏置了 q/2。量化誤差由量化引起的誤差稱為量化誤差，記為 e ：e = Xs(nTs )- Xq(nTs )式中，Xs(nTs )為采樣信號;Xq(nTs )為量化信號。量化誤差e的大小與所采用的量化方法有關