數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、數(shù)據(jù)采集第九章 數(shù)據(jù) 采集技術(shù)主要內(nèi)容 數(shù)據(jù)采集概述，什么是數(shù)據(jù)采集 模擬信號的數(shù)字化處理 多路模擬開關(guān)、測量放大器 采樣/保持電路 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù)采集的抗干擾技術(shù) 傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計（自學內(nèi)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(zhàn)斗機進行監(jiān)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(fā)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(zhí)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(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。點火583秒，飛船與火 箭在高度

2、約200公里處成功分離。發(fā)射測控網(wǎng)共設(shè) 13個站，其中上升段有3個站：發(fā)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(shù)據(jù)采集與目標控制類似的例子很多，如物聯(lián)網(wǎng)。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(shù)。信息技術(shù)的核心包括信息獲取、通信傳輸以及計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)，其中 信息獲取是基礎(chǔ)和前提， 而信息獲取的主要手段是數(shù)據(jù)采集技術(shù)；數(shù)據(jù)采 集技術(shù)隨著微電子技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的進步得到迅速發(fā)展，發(fā) 揮著越來越重要的作用。數(shù)據(jù)采集技術(shù)與計算機技術(shù)密切相關(guān)，根據(jù)大綱要求，在計算機原

3、理課程 中增加數(shù)據(jù)采集技術(shù)的內(nèi)容。§ 9.1 概 述一、數(shù) 據(jù)采集的基 本概念1、數(shù)據(jù)采集 計算機處理的對象是數(shù)字量，而外部世界的大部分信息是連續(xù)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(xù)的物理量離散化，即進行量化編碼，變成數(shù)字量才能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過傳感器做適當轉(zhuǎn)換后， 由非電量變換成電 量，再經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼和傳輸?shù)炔襟E ，輸入計算機進行處理或存 儲記錄的過程 。2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算機是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，完成 對整個采集過程的控制、對采集的數(shù)據(jù)進

4、行處理的任務。3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)任務 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務主要有三項： 把模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機能識別的數(shù)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(xiàn)對過程或目標（某些物理量）的監(jiān)視與控制二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為變化的電壓； 轉(zhuǎn)速傳感器把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(chǎn)生噪聲，人工發(fā)射源通過耦合使信號通道感染噪聲，其 它用電器產(chǎn)生的諧波污染等。數(shù)據(jù)采集必須有效去除噪聲才能獲得可信的數(shù)據(jù)。4、多路模 擬開關(guān)多路模擬開關(guān)為電子開關(guān)，用來分時選通來自多個輸入通道中的某一路信號，以實現(xiàn)多路巡回檢測。功能：擴展輸入路數(shù)，減少后續(xù)電路器件數(shù)（S/H、ADC等只需1套）。可節(jié)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(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間，這段時間內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入信號不能變化，否則不能保證轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度；如果把S/H電路放在多路開關(guān)之前，可實現(xiàn)對多路模擬瞬 時信號同時采樣。6、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要作用是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(guān)鍵電路，是影響系統(tǒng)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(zhuǎn)換結(jié)果要

7、送入計算機處理，而數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，各器件的定時關(guān)系是非常嚴格的，如果定時不合適，會嚴重影 響系統(tǒng)的采樣精度。例如，在多路模擬開關(guān)、采樣/保持，AD轉(zhuǎn)換之間，哪個開啟、開啟多長時間有嚴 格的規(guī)定。定時與控制邏輯側(cè)重于為完成數(shù)據(jù)采集任務所進行的控制功能， 是面向系統(tǒng)的。 定 時與控制邏輯在結(jié)構(gòu)圖中沒有畫出。三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要指標 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能指標的要求主要取決于具體應用的目的和應用的環(huán)境。 以下介 紹幾個常用指標的含義。1、系統(tǒng)分 辨率 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)可分辨的 最小電壓值或滿量程可劃分的 級數(shù)表示。以10V滿量程為例：2、系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度是系統(tǒng)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(shù)。系 統(tǒng)精度是系統(tǒng)各種誤差的總和，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際情況 是，系統(tǒng)精度達不到數(shù)模轉(zhuǎn)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(tǒng)對輸入模擬信號在單位 時間內(nèi)所完成的采集次數(shù)。采樣速率是采樣周期的倒數(shù)，采樣周期表征了系統(tǒng)每采集一個有效數(shù)據(jù)所需的時 間。采樣周期內(nèi)需完成采樣、量化、編碼、傳輸、處理等的全部工作。4、動態(tài)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(shù)。設(shè)允許輸入信號的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，則動態(tài)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(shù)） 真系數(shù)衡量Vimin當系統(tǒng)輸入一個頻率為f的正弦波時，其輸出中出現(xiàn)很 的新的頻率分量，這種現(xiàn)象稱為非線性失真。用諧波失四、數(shù)據(jù)處理的任務數(shù)據(jù)采集是以傳感器技術(shù)、信號檢測與處理、電子學、計算機技術(shù)等為基礎(chǔ)而形成 的一門綜合應用技術(shù)學科，除硬件設(shè)備外，往往需要軟件的支持，以對所采集的數(shù) 據(jù)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(shù)據(jù)類型的不同、應用領(lǐng)域的不同，數(shù)據(jù)處理方法會有很

10、大差別。本章的重點放在 數(shù)據(jù)采集原理上，而對具體的數(shù)據(jù)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(xiàn)形式。數(shù)據(jù)采集的對象是 信號；數(shù)據(jù)處理的目的是獲取信息。信號數(shù)據(jù)信息了解信號的分類有利于找到規(guī)律，便于數(shù)據(jù)處理。（1）按信號特性分類確定信號：能用確定的圖形、曲線、數(shù)學解析式等準確描述的信號，如正弦曲線、 指數(shù)曲線等。?周期信號：按一定周期重復出現(xiàn)的信號。?非周期信號：不按固定周期出現(xiàn)的信號。隨機信號：不能用確定的圖形、曲線、數(shù)學解析式等準確描述的信號，但服從某 種統(tǒng)計規(guī)律，如產(chǎn)品的合格率等。? 平穩(wěn)隨機信號：統(tǒng)計特性不隨時間變化。?非平穩(wěn)隨

11、機信號：統(tǒng)計特性隨時間變化。上述信號還可以繼續(xù)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(xù)的， 為時間上連續(xù)變化的信號， 如電壓、 溫度等， 輸入計算機前需要 經(jīng)過采樣、量化和編碼，進行離散化。狀態(tài)信號物質(zhì)系統(tǒng)所處的狀況， 一個狀態(tài)可由一組物理量來描述。 狀態(tài)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(tài)，溫度v0C :固態(tài)，溫度 100C :氣態(tài)。固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)可用 00、01、10狀態(tài)信號來表示；開關(guān)的狀態(tài)可用 0和1表示。數(shù)字信號幅度的取值是離散的， 幅值表示被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。 例如某種量的二進制

12、編碼就 是一種數(shù)字信號。根據(jù)信號的分類和應用的不同，處理方法也不盡相同。2、數(shù)據(jù)處理的類型數(shù)據(jù)處理有多種類型，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言有以下分類。（ 1 ）按處理方式分類實 時處理: 在采集數(shù)據(jù)的同時，對數(shù)據(jù)進行某種處理，實時處理也稱為在線處 理。對于高速數(shù)據(jù)采集，實時處理必須快，否則會丟失數(shù)據(jù)。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(zhì)分類預 處 理 : 去除數(shù)據(jù)奇異項，數(shù)據(jù)濾波，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。二 次處理: 對數(shù)據(jù)的進一步處理，獲得有用的信息。3、數(shù)據(jù)處理的任務數(shù)據(jù)處理是必須的，主要任務如下:（1）消除干擾信號 在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過程中，會受

13、到干擾和噪聲的影響， 所采集的數(shù)據(jù)中 會含有干擾信號， 需要采用各種方法最大限度地消除數(shù)據(jù)中的干擾成分 ，保證數(shù) 據(jù)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(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電量，該電量在經(jīng)過采樣、量化和 編碼等環(huán)節(jié)之后，送入計算機中變?yōu)橐唤M代碼，無明確的物理意義。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的內(nèi)在特征 對采集的數(shù)據(jù)進行加工(如傅立葉變換)，或在關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進行某種運算 (如計算相關(guān)函數(shù))，從而得到能表達數(shù)據(jù)內(nèi)在特征

14、的二次數(shù)據(jù)，獲取有用的 信息。(4) 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)存儲 通過某種形式對處理結(jié)果做出適當?shù)?、直觀的表示，以便于信息的理解，如圖 形、曲線、表格等。完成數(shù)據(jù)的存儲。§ 9.2 模擬信號的數(shù)字化處 理在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集時，首先遇到的問題是如何把傳感器所測量的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換為 離散數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換過程需經(jīng)歷兩個斷續(xù)過程。1、時間斷續(xù)對連續(xù)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(xù)的模擬信號x(t)經(jīng)采樣后轉(zhuǎn)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(jié)果。2、數(shù)值斷續(xù)把采樣信號Xs(nTs)以某個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來度量，這個過程稱為量化，相 當于拿數(shù)值尺度量，采樣信號Xs(nTs)經(jīng)過量化后變換為量化信號Xq(nTJ，再經(jīng)過 編碼，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號x(n)，成為時間和幅值離散化的信號，簡稱為數(shù)字 信號。下圖是信號的轉(zhuǎn)換過程。可能因采樣點過多，導致占用大量的計算機內(nèi)存，影響處理速度，嚴重時將 因內(nèi)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(shù)據(jù)值失真，不能原 樣再現(xiàn)原來連續(xù)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(nóng)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(xù)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(guān)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(guān)輸入信號與輸出信號的關(guān)系為:因為tvvTs，可假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，x(t)在脈沖出現(xiàn)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(zhì)量和數(shù)量：Ts太小，采樣信號Xs(nTs)數(shù)量劇增，占用大量的內(nèi)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(shè)連續(xù)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(xù)信號唯一確定，fc為連續(xù)信號最高頻率結(jié)論：對一個具有有限頻譜X(f)的連續(xù)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(xù)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(shè)連續(xù)信號為 其采樣值為時，則有4、頻

18、混的產(chǎn)生與消除頻混的產(chǎn)生當Ts取值過大，在時，將會發(fā)生x(t)中高頻成分()疊加到低頻成分()上去的現(xiàn)象，即頻混。為了解釋頻混，先看一個例子。某一連續(xù)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(chǎn)生頻混現(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)處理。這種方法既經(jīng)濟又 簡單。三、采樣技術(shù)()數(shù)據(jù)采集需遵守采樣定理。在高速目標測量或長時間測量的數(shù)據(jù)采集中，將產(chǎn)生大量 數(shù)據(jù)，需要很大存儲空間，為此必須采用技術(shù)手段來適應存儲的需要。本節(jié)介紹雷達 測速四種采樣技術(shù)。1、常規(guī)采樣常規(guī)采樣就是前面介紹的采樣技術(shù)，采樣連續(xù)進行，采樣頻率由采樣定理決定。設(shè)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(shù)據(jù)采集和處理分開進行，數(shù)據(jù)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(diào)整采樣時間段tsi與間歇時間段tGi的比例關(guān)系, 就能記錄下所有的采樣數(shù)據(jù)。設(shè)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(shè)信號Xa

21、(t)的頻率范圍為：式中， 為帶寬。當(k為奇整數(shù))或(k'為整數(shù))時，可取采樣周期，即時，采樣信號的頻譜不會發(fā)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(shù)據(jù)處理時，稱帶通信號采樣為下采樣。 優(yōu)點：下采樣的采樣頻率低，具有測量精度高、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點。四、量化與量化誤差1、量化來自傳感器的連續(xù)模擬信號經(jīng)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(nèi)仍是連續(xù)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 量化就是把采樣信號的 幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較， 以最接近于采樣信號幅值的最

22、小 數(shù)量單位的倍數(shù)來代替該幅值。這一過程稱為量化過程，簡稱 量化。最小數(shù)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(shù)。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(shù)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(shù)值用二進制代碼來表示， 稱為 編 碼 。量化信號編碼后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成量化和編碼的器件是模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù) 。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(zhuǎn)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?？梢钥闯?，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(guān)