數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述信號(hào)調(diào)理傳感器/信號(hào)數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)數(shù)據(jù)采集硬件可以將PC變?yōu)橐粋€(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六部分常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備類(lèi)型實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)環(huán)境使用基于PCI/PXI接口往往需要外接端子和線纜便攜式/遠(yuǎn)距離USB，Ethernet接口教學(xué)實(shí)驗(yàn)與學(xué)生練習(xí)如ELVIS、myDAQ除了數(shù)據(jù)采集硬件電路之外還集成了其他一些功能，如數(shù)字萬(wàn)用表、可編程電源等第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六舉例:基于PXI平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集PXI控制器及機(jī)箱(可大致理解為PC)接線端（前面凸出部分）信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集（接線端后面）第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六舉例:用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的NIELVIS一種集成了12種儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝NI-ELVIS驅(qū)動(dòng)后可通過(guò)ELVIS軟面板實(shí)現(xiàn)這些功能同時(shí)也可看做是一種基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于學(xué)習(xí)虛擬儀器（尤其是數(shù)據(jù)采集）的相關(guān)編程技術(shù)USB總線（注意:不是前面所說(shuō)的傳輸電纜）接線端+傳輸線纜+數(shù)據(jù)采集設(shè)備PC第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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。

圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.5.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集形式有以下幾種：?jiǎn)瓮ǖ罃?shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多通道同步型數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式每個(gè)通道都有各自獨(dú)自的采樣保持器與A/D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)形式可以對(duì)各通道輸入信號(hào)進(jìn)行同步、高速數(shù)據(jù)采集。多通道A/D轉(zhuǎn)換

第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六各通道有各自獨(dú)立的采樣保持器，但公用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分，對(duì)各路信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號(hào)的同步采集，但采集速度稍慢。單通道共享A/D轉(zhuǎn)換器

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六各通道公用一個(gè)采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。工作時(shí)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)將各路信號(hào)分時(shí)切換，輸入到公用的采樣保持器中，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的分時(shí)采集，而非同步采集。并且采集速度最慢。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件成本，適于對(duì)采集速度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。多通道共享采樣保持器與A/D轉(zhuǎn)換器

第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.5.2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和器件選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：被采集信號(hào)的特點(diǎn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)的精度第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)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(hào)的最小變化量。通常用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿刻度信號(hào)的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來(lái)表示。有時(shí)也用信號(hào)滿刻度值可以劃分的級(jí)數(shù)來(lái)表示。

位數(shù)級(jí)數(shù)1LSB（滿度值的百分?jǐn)?shù)）1LSB（10V滿度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表1.1系統(tǒng)的分辨率（滿度值為10V）第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)2.系統(tǒng)精度：當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。3.采集速率（系統(tǒng)通過(guò)速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采樣次數(shù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲(chǔ)等過(guò)程。采集速率的倒數(shù)是采樣周期。第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)4.動(dòng)態(tài)范圍：某個(gè)物理量的變化范圍。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)。采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值Vimax與最小幅值Vimin之比的分貝數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍：瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍：對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的高精度采集時(shí)，某一時(shí)刻系統(tǒng)所能采集到的信號(hào)的不同頻率分量幅值之比的最大值，即幅值最大頻率分量的幅值A(chǔ)fmax與幅度最小頻率分量的幅值A(chǔ)fmin之比的分貝數(shù)。瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍：

第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)5.非線性失真（諧波失真）：給系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為f的正弦波時(shí)，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf（k為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱(chēng)為非線性失真。諧波失真系數(shù)用來(lái)衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度，它通常用下式表示：A1為基波振幅，Ak為第k次諧波的振幅。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六多路模擬開(kāi)關(guān)的選擇要點(diǎn)選擇多路模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)充分考慮信號(hào)的特點(diǎn)及系統(tǒng)特性，盡量選擇導(dǎo)通電阻小、漏電電流小、切換速度快的芯片，同時(shí)應(yīng)注意要適當(dāng)?shù)叵拗仆ǖ罃?shù)量，有必要時(shí)可以采用MUX的多路擴(kuò)展方式。第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)采用A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)采集是一個(gè)要求比較高的工作，需要考慮多方面的問(wèn)題。這里介紹需要重點(diǎn)注意的幾個(gè)問(wèn)題。采樣速度。采樣速度決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采樣速度由模擬信號(hào)帶寬、數(shù)據(jù)通道數(shù)和每個(gè)周期的采樣數(shù)來(lái)決定。采集速度越高，對(duì)模擬信號(hào)復(fù)原的越好，也即實(shí)時(shí)性越好。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)源信號(hào)無(wú)損再現(xiàn)的必要條件是，采樣頻率至少為被采樣信號(hào)最高頻率的兩倍。第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六A/D轉(zhuǎn)換精度。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，一般計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的方和根誤差。信號(hào)源阻抗、信號(hào)帶寬、A/D轉(zhuǎn)換器分辨率和系統(tǒng)的通過(guò)率都會(huì)影響誤差的計(jì)算。正常情況下，A/D轉(zhuǎn)換前向通道的總誤差應(yīng)小于等于A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差，否則選取高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器也沒(méi)有實(shí)際意義?？讖秸`差。A/D轉(zhuǎn)換是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。而輸入的模擬量總是在連續(xù)不斷變化的，這樣便造成轉(zhuǎn)換輸出的不確定性誤差，即孔徑誤差。為了確保較小的孔徑誤差，則要求A/D轉(zhuǎn)換器具有與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度。否則，就應(yīng)該在A/D轉(zhuǎn)換器前加入采樣/保持電路以滿足系統(tǒng)要求。第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六系統(tǒng)通過(guò)率。系統(tǒng)的通過(guò)率由模擬多路選擇器、輸入放大器的穩(wěn)定時(shí)間、采樣/保持電路的采集時(shí)間以及A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間確定。在模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有正常順序和重疊兩種采集方式，采用低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器、減少模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)及采用重疊方式采集時(shí)，可獲得較大帶寬的通過(guò)速度。第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六（1）如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。目前，大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值不小于01%~0.5%，故A/D轉(zhuǎn)換器的精度取0.05%~0。1%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為10~11位，加上符號(hào)位，即為11~12位。當(dāng)有特殊的應(yīng)用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時(shí)往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。

第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱(chēng)為轉(zhuǎn)換速率。確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的采樣速率。

第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六例如，如果用轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us的A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)換速率為10KHz。根據(jù)采樣定理和實(shí)際需要，一個(gè)周期的波形需采10個(gè)樣點(diǎn)，那么這樣的A/D轉(zhuǎn)換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號(hào)。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號(hào)頻率可提高。

書(shū)中主要講述了如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)以及如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，詳細(xì)公式和實(shí)例說(shuō)明見(jiàn)書(shū)P77~78頁(yè)。第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.5.3高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

/link?url=EOsRfpg7x7gRk_PLEV00lLPKJbkvtsfFvNH9ni03FlGhfpOoo99c_OtnprTPBziH8J21KUCuGmbDjBWgAZDHsq高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分類(lèi)2

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本功能3

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式4

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理5

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)6

高速數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分類(lèi)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見(jiàn)的分類(lèi)方法有以下幾種：根據(jù)適應(yīng)環(huán)境不同：隔離型和非隔離型，集中式和分布式；根據(jù)控制功能：智能化和非智能化采集系統(tǒng)；根據(jù)模擬信號(hào)的性質(zhì)：電壓和電流信號(hào)，高電平和低電平信號(hào)，單端輸入和差分輸入；根據(jù)信號(hào)通道的結(jié)構(gòu)方式：?jiǎn)瓮ǖ兰岸嗤ǖ垒斎敕绞?。第二十五?yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本功能一般來(lái)說(shuō)，高數(shù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集各種類(lèi)型傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)處理，得到特定的數(shù)據(jù)結(jié)果。同時(shí)將計(jì)算得到波形和數(shù)值進(jìn)行顯示，對(duì)各種物理量狀態(tài)監(jiān)控。第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式從高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成來(lái)分，有兩種：集成微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨(dú)立采集模擬和數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)通過(guò)光纖或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C的硬盤(pán)進(jìn)行保存及處理。集成微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是將PC及數(shù)據(jù)采集卡集成一體，采集卡采集完的數(shù)據(jù)直接保存在內(nèi)部的硬盤(pán)，無(wú)需通過(guò)線纜傳輸。第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理下圖是基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般包括：AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、SDRAM動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件、Flash靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件、HPI主機(jī)接口、USB接口、PCI接口等。典型的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程如圖所示。第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六輸人信號(hào)可以是語(yǔ)音信號(hào)、調(diào)制后的電話信號(hào)、編碼的數(shù)字信號(hào)、壓縮的圖像信號(hào)，也可以是各種傳感器輸出的信號(hào)。如果輸人信號(hào)的幅度較小或者過(guò)大，一般都需要經(jīng)過(guò)放大器單元將輸入信號(hào)幅度放大或者縮小后，送到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果輸入信號(hào)帶有較大的噪聲，一般需要經(jīng)過(guò)一個(gè)硬件的模擬濾波單元，將信號(hào)濾波整形后，送到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD能將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，但必須滿足奈奎斯特采樣定理，也就是為了保證不丟失信息的所有信息，采樣頻率必須高于輸入信號(hào)最高頻率的2倍，一般為5倍以上。AD變換后得到的數(shù)字信號(hào)輸人到DSP芯片；再由DSP芯片對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)算法的處理。第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)(1)新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件不斷涌現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。(2)高性能單片機(jī)的問(wèn)世和各種數(shù)字信號(hào)處理器的涌現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。(3)智能化傳感器(Smartsnor)的發(fā)展，必將對(duì)今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。(4)與微型機(jī)配套的數(shù)據(jù)采集部件的大量問(wèn)世，大大方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域里應(yīng)用并有利于促進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。(5)分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。第三十頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高速數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有極高的采樣率，尤其適合用于瞬間測(cè)量量產(chǎn)生變化的場(chǎng)合。例如：在電力傳輸或者爆炸，沖擊波，火箭發(fā)射過(guò)程中。電力測(cè)試的應(yīng)用包括：第三十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，編輯于2023年，星期六高壓脈沖測(cè)試