信號的采集與處理.ppt

1、信號的采集與處理,主講人：王堅(jiān),引 言,隨著數(shù)字信號處理理論和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)研究全都需要借助數(shù)字處理方法，而進(jìn)行數(shù)字處理方法的先決條件是將所有的研究對象進(jìn)行數(shù)字化，也就是所謂的數(shù)據(jù)采集與處理。,數(shù)據(jù)采集技術(shù)是以前段的模擬信號處理、數(shù)字化、數(shù)字信號處理和計(jì)算機(jī)等高科技為技術(shù)形成的一門綜合技術(shù)。它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于圖像處理、振動測試、語音信號分析和瞬態(tài)信號分析等多個(gè)領(lǐng)域。所以它也成為研究領(lǐng)域中必不可少的一門技術(shù)。,信 號,模擬信號,模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。 或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號。模擬信號分布于自

2、然界的各個(gè)角落，如每天溫度的變化。電學(xué)上的模擬信號主要是指幅度和相位都連續(xù)的電信號，此信號可以被模擬電路進(jìn)行各種運(yùn)算，如放大，相加，相乘等。,數(shù)字信號,數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來表示?，F(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復(fù)雜的信號處理都離不開數(shù)字信號；或者說，只要能把解決問題的方法用數(shù)學(xué)公式表示，就能用計(jì)算機(jī)來處理代表物理量的數(shù)字信號。,兩者區(qū)別,模擬信號是用模擬量的電壓或電流來表示的信號，時(shí)間上是連續(xù)的，幅度變化也是連續(xù)的。 數(shù)字信號是通過0和1的數(shù)字串所構(gòu)成的數(shù)字流來傳輸?shù)?，幅度變化是跳變的?/p>

3、,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理步驟如下：,對象,物理信號,電信號,電信號,電信號,數(shù)字信號,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 調(diào)理通道：完成模擬信號的衰減、放大、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)和線性化等功能。 采樣保持器：保證A/D轉(zhuǎn)換過程中信號的穩(wěn)定。 A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)子量。 單片機(jī)：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 電平轉(zhuǎn)換電路：將TTL電平1轉(zhuǎn)換成RS232C 2電平。 計(jì)算機(jī)：接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。,備注: 1:晶體管-晶體管邏輯電平；2：一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn),6,傳感器,傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信

4、號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。,傳感器的主要功能是接受物理信號然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?調(diào)理通道,1.放大電路,微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，也就是使調(diào)理后信號的最大電壓值和ADC1的最大輸入值相等，這樣可以提高精度。同時(shí)，高分辨率可以降低高放大倍數(shù)要求并可以提高較寬的動態(tài)范圍。儀器信號調(diào)理的前端系統(tǒng)有幾種放大模式，靠近傳感器的微弱信號經(jīng)過放大增益，最后只把大信號送給計(jì)算機(jī)，以使噪聲影響減到最小。,放大器,直流放大器,交流放大器,電荷放大器,電橋,時(shí)間域 頻率域 幅度增大 低頻保留,高頻截止 幅度

5、增大 高頻保留,低頻截止 電荷增大 Z V,備注: 1:數(shù)模轉(zhuǎn)換,（介紹）,（介紹）,8,調(diào)理通道,1.放大電路,1.1直流放大電路,1) 反相放大器,反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:,反饋電阻RF值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源Ui的內(nèi)阻。,調(diào)理通道,1.放大電路,1.1直流放大電路,1) 同向放大器,同相放大器也是最基本的電路 ，其閉環(huán)電壓增益Av為:,同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。,調(diào)理通道,1.放大電路,1.2交流放大電路,若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運(yùn)放交流電壓

6、同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。,R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。,調(diào)理通道,2.濾波電路,濾波可以消除噪聲和不必要的干擾，噪聲濾波器通常用于輸入的信號是直流信號。許多儀器信號調(diào)理模塊都有合適的低通濾波器。交流信號通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一個(gè)陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號。,濾波器,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,低通,帶通,高通,帶阻,調(diào)理通道,2.濾波電路,2.1 RC無源濾波器,在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)

7、，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 。,1) 一階RC低通濾波器,2) 一階RC高通濾波器,2.1 RC無源濾波器,3) RC帶通濾波器,調(diào)理通道,3.隔離（屏蔽）,隔離也是信號調(diào)理中的一種。從安全的角度把傳感器信號同計(jì)算機(jī)隔離開，因?yàn)楸槐O(jiān)測系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓。另一個(gè)原因是隔離可使從數(shù)據(jù)采集板出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的響。當(dāng)輸入DAQ1板的信號與得到的信號不共地時(shí)，可能產(chǎn)生較大誤差甚至損壞系統(tǒng)，而用隔離辦法就能保證信號的準(zhǔn)確。,4.激勵(lì),信號調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┕ぷ麟娏鳌TDS(溫度電阻)需要電流將電阻變化反映出來，而應(yīng)變片需要一個(gè)完備的橋式電路及電源。很多設(shè)備都提供電

8、流源以便使用這些傳感器。,5.線性化,多傳感器對被測量的量都有非線性響應(yīng)，因而需要對輸出信號進(jìn)行線性化。,備注: 1:數(shù)據(jù)采集,采樣保持器,A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，而在轉(zhuǎn)換期間希望A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號電壓保持不變，才能保證正確的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號的頻率較高時(shí)，就會產(chǎn)生較大的誤差，為了防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換之前將信號的電平保持，轉(zhuǎn)換之后又能跟蹤輸入信號的變化，保證較高的轉(zhuǎn)換精度。為此，需要利用采樣保持器來實(shí)現(xiàn)。,1.采樣保持,采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的原理實(shí)現(xiàn)的(圖333)。 采樣保持動作由兩種模式構(gòu)成；一種是采樣模

9、式，即采樣保持的輸出跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。,采樣保持器,1.采樣保持,在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬間，輸入值和輸出值不一樣，需經(jīng)過一段時(shí)間，兩值才能達(dá)到一致，這就是滯后現(xiàn)象，如圖334所示，圖中Ts表示開關(guān)滯后，TA表示穩(wěn)定時(shí)間。進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，一轉(zhuǎn)換到保持模式、這時(shí)的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。,2.采樣定理,采樣保持器,2.1 采樣信號的頻譜,采樣過程是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘來,采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)圖譜,采樣保持器,2.采樣定理,2.2 頻混現(xiàn)象,頻域解釋,采樣保持器,2.采樣定理,2.3 采樣定理,為保證采樣后信

10、號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。,fs2fmax,或者,Tmax2Ts,需要注意的是，在對信號進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時(shí)，可以完全變換為原時(shí)域采樣信號xs(t)，而不能保證此時(shí)的采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。,采樣保持器,3.采樣方式,數(shù)字化采樣方式,實(shí)時(shí)采樣,順序采樣,隨機(jī)采樣,等效采樣,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換是外部世界模擬信號和計(jì)算機(jī)之間聯(lián)系的接口。它將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信

11、號，以便計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲、控制和顯示。 A/D轉(zhuǎn)換器件的種類非常多，其實(shí)現(xiàn)方式主要有逐次逼近式，雙積分式，計(jì)數(shù)式、并行式等。比較常用的有雙積分和逐次逼近式兩種。,什么是A/D轉(zhuǎn)換？,A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方式？,A/D轉(zhuǎn)換器,1. A/D轉(zhuǎn)換器類型,1.1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,包括比較器、控制電路、逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。其基本原理是逐次逼近寄存器各位首先清”0”，然后設(shè)置最高位為”1”形成第一個(gè)試探值。該試探值通過D/A轉(zhuǎn)換器后與待測量電壓進(jìn)行比較。如果待測量電壓高于試探電壓，則保持最高位不變；反之，則將最高位設(shè)置為”0”。然后將逼近寄存器的次高位設(shè)置為”1”，繼續(xù)上述試

12、探過程。通過從高位到低位地不斷試探逼近寄存器各位值，最后得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度比較快，分辨率也較高，但是抗干擾能力比較差。,逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換原理圖,A/D轉(zhuǎn)換器,1. A/D轉(zhuǎn)換器類型,1.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換過程包括兩步：1）對輸入電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，獲得一個(gè)輸出電壓V0；2）對V0通過參考電壓進(jìn)行反積分，使其降低為0V，并統(tǒng)計(jì)反積分時(shí)間。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的抗干擾能力比較強(qiáng)，性能穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)換速度比較慢。,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖,A/D轉(zhuǎn)換器,2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù),量程，指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，可以分為單極型和雙極型兩種。 分

13、辨率(LSB)，指A/D轉(zhuǎn)換器所分辯的最小模擬輸入量。n位A/D轉(zhuǎn)換器能反應(yīng)1/2n滿量程的模擬輸入電平。 精度，包括絕對精度和相對精度兩種。其中絕對精度是指在A/D轉(zhuǎn)換器輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字量時(shí)，其實(shí)際模擬輸入值同理想值之差，相對精度是指在滿量程值已經(jīng)校準(zhǔn)的情況下，在量程范圍內(nèi)任意數(shù)字量輸出，所對應(yīng)的模擬量輸入值與理論值之差。 轉(zhuǎn)換時(shí)間，指從發(fā)出啟動命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號為止所需要的時(shí)間間隔。,A/D轉(zhuǎn)換器,2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù),例1：S3C2410中的A/D轉(zhuǎn)換器,8路10位，并支持觸摸屏功能。 精度位1.5位，量程為03.3V，最大轉(zhuǎn)換速率為500K。,例2： 8位模數(shù)(

14、A/D) 轉(zhuǎn)換器ADC0809,例1,例2,A/D轉(zhuǎn)換器,3.模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器選用舉例,采集一個(gè)頻率為20KHz的信號，要求要分辨到2mV電壓，信號電壓的輸入范圍是0-5V，試根據(jù)下表確定A/D轉(zhuǎn)換器的型號,信號電壓的輸入范圍是0-5V： ADC0809、AD574A、AD 679均可 信號頻率為20KHz，周期為50s： 根據(jù)采樣定理AD574A、AD 679均可 最小分辨電壓 ADC0809：5/28=19.5mV AD574A：10/212=2.44mV AD 679：10/214=0.61mV 應(yīng)該選AD 679,單片機(jī),單片機(jī)（Single chip microcomputer

15、）微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），單片機(jī)芯片常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。,單片機(jī),單片機(jī),1.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口,單片機(jī),2.模

16、數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程,查詢方式：,定時(shí)采樣方式 向AD發(fā)出啟動脈沖信號后，先進(jìn)行軟件延時(shí)延時(shí)時(shí)間取決于轉(zhuǎn)換時(shí)間(例如0809為100um)，延時(shí)結(jié)束后直接從AD口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此這種方式比查詢方式轉(zhuǎn)換速度更慢，故應(yīng)用較少。 中斷方式 在前兩種方式中，AD采樣過程中都要占用CPU大量的工作時(shí)間、降低廠CPU的工作效率。在實(shí)時(shí)性要求高，控制口較多的情況下須采用中斷方式。在這種采樣方式中，當(dāng)啟動A D轉(zhuǎn)換后，CPU可處理其它事務(wù)，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由AD芯片向CPU發(fā)出AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷申請，CPU響應(yīng)中斷后，便進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行“讀AD轉(zhuǎn)換結(jié)果”的操作。這樣，CPU和AD芯片在時(shí)間上

17、是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。,單片機(jī),2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程,單片機(jī),2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的編程,單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊,1.1同步通訊,1.2異步通訊,同步通信方式是指在發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘頻率與接收頻率一致的條件下，發(fā)送設(shè) 備發(fā)出一個(gè)同步碼后，隨之自動發(fā)送一組數(shù)據(jù)的方式，同步通信方式屬于一種連續(xù)傳送數(shù)據(jù)的方式，適用于大批量數(shù)據(jù)傳送。其特點(diǎn)是傳送速率高，但要求收發(fā)雙方的時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步 。,異步通信方式的數(shù)據(jù)是一幀一幀的傳送，每一幀數(shù)據(jù)由一個(gè)起始位、58個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、12個(gè)停止位組成。,1.通訊介紹,單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊,RS-232-C是美國電子工業(yè)

18、協(xié)會(EIA)在1969年公布助數(shù)據(jù)通信標(biāo)淮。RS是推薦標(biāo)準(zhǔn)(Relommended stardard)的英文縮寫，232C是標(biāo)準(zhǔn)號。 RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)在引線連接上采用24針D型插座，其中有20個(gè)引腳對應(yīng)串行通信使用的信號，在微機(jī)通信中最常用的是其中9個(gè)通信信號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。,2.RS-232-C標(biāo)準(zhǔn),單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通訊,MCS.51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口UART，利用其RXD和TXD與外界進(jìn)行通信，其內(nèi)部有2個(gè)物理上完全獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所以單片機(jī)和Pc機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。單片機(jī)串口有3條引線：TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))和GND(信號地)。因此在通信距離較短時(shí)可采用零MODEM方式，簡單三連線結(jié)構(gòu)。PC機(jī)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行口，其電平采用的是EIA電平，而MCS51單片機(jī)的串行通信是由TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))和RXD(接收數(shù)據(jù))來進(jìn)行全雙工通信的，它們的電平是TTL電平；為了Pc機(jī)與MCS51機(jī)之間能可靠地進(jìn)行串行通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片，可以用MAXIM公司生產(chǎn)的專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電路如圖1