现代安全监控技术(四)

1、.1第第3章章 数据采集与信号处理技术数据采集与信号处理技术 3.1 数据采集技术基础数据采集技术基础 3.1.1 信号A/D、D/A转换过程 1A/D转换q 把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为模数转换（A/D）过程，反之则称为数模转换（D/A）过程。q 它们是数字信号处理的必要程序。q 一般监测信号的数据采集与处理系统框图如下：现代安全监控技术现代安全监控技术.23.1 数据采集技术基础数据采集技术基础一般数据采集与处理系统框图q 来自前级监测系统的模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，经A/D转换成为数字信号，再送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理。如果需要，

2、再由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号。 D/A模拟信号数字信号数字信号分析仪或数字计算机A/D抗频混滤波器模拟信号.33.1 数据采集技术基础数据采集技术基础q A/D转换过程包括了采样、量化、编码等环节，其工作原理如下图所示。 A/D转换过程1101Rttx(nt)x1(t)p(t)x(t)ox(n)x(n)数字信号模拟信号量化编码采样.43.1 数据采集技术基础数据采集技术基础（1）采样。采样又称为抽样，是利用采样脉冲序列 ，从连续时间信号 中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号 的过程 。 称为采样间隔， 称为采样频率。（2）量化。量化又称幅值量化，是把采样信号 经过截尾或舍入的方法

3、变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。q 设信号 可能出现的最大值为A，将其等分为D个间隔，每个间隔的长度为 ，)(tp)(tx)(tnx), 1 , 0(ntsft /1)(tnx)(txDAA/.53.1 数据采集技术基础数据采集技术基础 称为量化增量或量化步长。采样信号 落在某一小区间内，经过截尾或舍入而变为有限值时，将产生量化误差。量化误差呈等概率均匀分布，概率密度函数 。对于舍入方法，最大量化误差应是 ，其均方差 约为 。显然，量化增量 越大，则量化误差也越大。量化增量大小一般取决于A/D转换器位数。例如，8位二进制为 ，即 为所测信号最大值的1/256。 )(tnxAAAp

4、/1)(A5 . 0A25628AA29. 0.63.1 数据采集技术基础 （3）编码。编码是将离散幅值经过量化以后变为二进制数字，以便计算机可以识别。q 信号 经过上述变换以后，即成为时间上离散、幅值上量化的数字信号。 2D/A转换q 数字信号经过分析处理以后，有时还需复原为连续信号，以便于观测或记录。这时采用D/A转换器，把数字信号转换为模拟信号。D/A转换过程包括了译码与波形复原，如后图所示。)(tx.73.1 数据采集技术基础q 译码是把数字信号恢复为有限幅值 的过程，波形复原则是把离散幅值恢复为连续波形的过程，一般由保持电路实现。q 例如，零阶保持和一阶多角保持等。零阶 D/A转换过

5、程iAtotoonx(t)x(n)x(t)x(t)x(t)x(n)D/A低通.83.1 数据采集技术基础p 保持是在两个采样值之间，令输出保持前一个采样值的值；一阶多角保持是在两个采样值之间，令输出为两个采样值的线性插值。由于经过保持变换构成的信号存在着不连续点，所以还须用模拟低通滤波器消除这些不连续点。3.1.2 采样信号的频谱 1时域采样q 采样过程是通过采样脉冲序列 与连续时间信号 相乘来完成的。q 根据采样脉冲序列的形状，可分为理想脉)(tp)(tx.93.1 数据采集技术基础q 冲采样与矩形脉冲采样。q 理想脉冲采样，其采样脉冲序列 采样信号 如果 那么，根据频域卷积定理，有nsTs

6、nTtttp)()()()()()(tptxtxs)()()()(PtpFXtxF)()(21)(PXXs.103.1 数据采集技术基础理想脉冲采样momX()P()sssootx(t)p(t)otTsTsxs(t)Xs()1/Tssso1/TsoTst1.113.1 数据采集技术基础p 又因采样脉冲序列是一个周期函数，所以序列 的傅里叶变换应为p 式中， 是 的傅里叶系数 p 当 为脉冲序列时， ，所以p )(tpnsnnCP)(2)(nC)(tp22)(1sssTTtjnndtetpTC)(tpsnTC/1nssnsnsnXTnXCX)(1)()(.123.1 数据采集技术基础q 此式表明

7、，一个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频轴每隔一个采样频率 ，重复出现一次，即频谱产生了周期延拓。其幅值被傅里叶系数 所加权，因为 ，所以频谱形状不变。q 当采样脉冲为矩形脉冲序列时，此时傅里叶系数p 所以采样信号的傅里叶变换 nCsnTC/1)/2(ssT)2(sinssnncTEC nssssnXncTEX)()2(sin)(.133.1 数据采集技术基础q 显然， 是 在以 为周期的重复过程中，其幅值按 规率变化的函数，如下图所示。 )(sX)(XsX)2/(sinsnc矩形脉冲采样ommotx(t)x()p(t)P()(a)(b)sos2/EotTsXs()Eso(c)otTs

8、xs(t).143.1 数据采集技术基础 2频域采样 已知连续频谱函数 ，其对应的时间函数为 ，若 在频域中被间隔为 的脉冲序列 所采样，采样后的频谱函数为 ，其所对应的时间函数为 ，分析 与 之间的关系。 )(X)(tx)(X1)(1)(1X)(1tx)(1tx)(tx频域采样ottmtmx(t)X()o()11oI/1toT1T1x1(t)(a)(b)(c)oT1T1t11oX1()1( )Tt.153.1 数据采集技术基础q 已知， ，若频域采样满足条件 式中，脉冲序列 p 根据p 则有 )()(txFX)()()(1XXnn)()(1nnnnTtF)()(111)(1)(1)()(11

9、1111tnTtnFFTnn.163.1 数据采集技术基础q 又根据时域卷积定理，有 p 即p 这样便可以得到 被采样以后 所对应的时间函数p 此式表明，若 的频谱 被间隔为 的脉冲序列在频域中采样，则在时域中等效于 以 为周期而重复，就是说，周)()()(1111FXFXFnnTttxtx)(1)()(111)(X)(1XnnTttx)(1)(111)(tx)(X1)(tx)/2(11T.173.1 数据采集技术基础p 期信号的频谱是离散的。 q 由上述分析可知，傅里叶变换的另一个重要性质，即信号的时域与频域呈采样（离散）与重复（周期）关系。 3.1.3 采样定理 q 采样定理说明了一个问题

10、，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔）采样，方不致丢失原始信号的信息，或者说，可由采样信号无失真地恢复出原始信号。 .183.1 数据采集技术基础p 1频混现象 q 频混现象又称频谱混叠，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。信号 的傅里叶变换为 ，频带范围为 ；采样信号p 的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为p ，并且 为时域采样周期。当采样周期 较大时， ，周期谱图相互重叠，如图中(c)所示，即频混现象，将使信号复原后丢失原始信号中的高频信息。 )(tx)(Xmm)(txsssssTT ，/2sTms2.193.1 数据采集技术基础

11、采样信号的频混现象ommotX ()x(t)(a)xs(t)Xs()1 /Ts1smomsTsto(b )Xs()1 /TsTstosmmos(c)xs(t).203.1 数据采集技术基础p 2采样定理 q 上述两种情况表明，如果 则不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔 须加以限制，即采样频率 或 必须大于或等于信号 中的最高频率 的两倍，即 ，或 ，此称为采样定理。q 又因为时域采样间隔 决定于 ，所以又称为时域采样定理。q 这一定理可作如下物理解释：一个频谱受限的信号 ，如果频谱只占据 范围， ms2sT)/2(ssT)/1 (ssTf)(txmms2msff2sTsf)(txmm.2

12、13.1 数据采集技术基础p 则信号可以用等间隔采样值来惟一地表示，而采样间隔必须不大于 ，或者说最低采样频率为 。 q 也可以这样去理解：一个频带有限信号，其频率大小，反映在时域内，就是它的波形变化速度，即它的最高变化速度将受最高频率分量 的限制。因此，为了保留这一频率分量的全部信息，一个周期的间隔内，至少采样两次，即必须满足 。 q 在工程上某些特定的场合，需要对带通信号 )2/(1mfmf2mms2.223.1 数据采集技术基础p 进行采样。带通信号的采样遵守采样定理的扩充形式，即若输人模拟信号的频率成分完全落在某个区域中，而这个频率区域的宽度不超过采样频率的一半，可以由采样后的数据重建

13、输人信号。通常称此扩充定理为带通信号采样定理，而称非扩充的采样定理为低通信号采样定理。 q 当需数字化的模拟输人信号带宽超过了采样频率的一半，这时的采样称为欠采样(Under-Sampling）或超奈奎斯特（Super-Nyquist）.233.1 数据采集技术基础p 采样。与此相应，我们将采样频率高于两倍奈奎斯特频率（ ）的采样，称为过采样（Over Sampling）。不论欠采样或是过采样，在实际工程中，均已得到了广泛的应用。p 3信号复原（理想内插法） q 为了从采样信号频谱 中无失真地选出p ，还须采用频域矩形窗函数 与p 相乘，即 mf2)(sX)(X)(H)(sX)()()(HXX

14、s.243.1 数据采集技术基础q 实现这一过程的方法，就是将采样信号 通过理想低通滤波器，此滤波器的传输函数为 ，这样在滤波器的输出端可以得到频谱为 的连续信号 。 )(X)(H)(txs)(tx信号复原ommXs()(a)tTsTsoxs(t)H()h(t)Tsc/ot(b)omm1ommoTst(c)( )x t( )X.253.1 数据采集技术基础q 已知理想滤波器的传输函数 p 根据傅里叶变换的时域、频域对称特性，有p 根据时域卷积定理，复原信号 可表示为p 所以有 )(0)(1)(ccH)(sin)()(1tcHFthcc)( tx)()()( thtxtxsnscscnccssn

15、TtcnTxtcnTtnTxtx)(sin)()(sin)()()( .263.1 数据采集技术基础q 若取 ，而且 ，则 q 上式表明，连续信号可以展成正交采样函数（ 型函数）的无穷级数，级数的系数等于采样值 。也就是说，若在采样信号 的每个采样值上画一个峰值为 p 的 型函数波形，则合成的波形就是 。而 波形就是理想滤波器的脉冲响应。 ms2mcnmsmnsmsmntcnTxnTtcnTxtx)(sin)()(sin)()( )(sintc)(snTx)(txs)(snTx)(sintc)( tx)(sintc.273.1 数据采集技术基础q 所以，若 通过理想低通滤波器时，每个采样值产生

16、一个脉冲响应，这些响应进行叠加就得到 ， 是对原始信号 的逼近，由此达到由采样信号 恢复原始信号p 的目的。q 需要进一步阐明的是， 型函数曾被称为内插函数。在这里，所谓内插，就是从已知离散点的值，求在离散点之间另外一些点处的值时，在数学上所采用的一种插值的方法。 )(txs)( tx)( tx)(tx)(txs)(tx)(sintc.283.1 数据采集技术基础q 从理论上讲，对不在取样时刻任意点的数值应该是无限加权样值的总和，但由于这里的内插函数是衰减的，因此，实际上可以由该点附近的一组有限值之和而得到良好的逼近。q 上述运用滤波器由采样信号恢复原信号的方法，又称为惠特克（E.T.Whit

17、taker）波形重构法或理想内插法。q 从上述信号复原过程可以看出， ， 时，各个采样冲激响应零点，恰好落在采样 ms2mc.293.1 数据采集技术基础p 时刻上。就采样点的数值而言，在这种情况下，各个冲激响应互相不产生“串扰”。通常把最低允许的采样频率 ，或 称为奈奎斯特（Nyquist）频率，把最大允许的采样间隔 或 称为奈奎斯特采样间隔。 p 4频域采样定理 q 根据时域与频域的对称性，可由时域采样定理推论出频域采样定理。q 如果信号 是时域有限信号，并集中在ms2msff2msT/)2/(1msfT )(tx.303.1 数据采集技术基础p 的时间范围内，若在频域中以不大于 的频率间

18、隔对频谱 进行采样，则采样后的频谱 可以惟一地表示原信号。类似于时域采样，有p q 此式表明，在频域中对 进行采样，等效于 在时域中重复，只要采样间隔不大于p ，则在时域中波形不会产生混叠，用mmtt)2/(1mt)(X)(1XnsmscnTtcnTxtx)(sin)()(1nmmttctnXtX2sin)(1)(X)(tx)2/(1mt.313.1 数据采集技术基础p 矩形脉冲作选通信号就可以无失真地恢复原信号 ，即应满足关系式 ，此称为频域采样定理。q 需要说明的是，频域采样以后，只能获得采样点的频率成分，其余的频率成分一概被舍去，这犹如透过栅栏观赏光景，只能看到一部分，就可能使一部分有用

19、的频率成分被漏掉，而丢掉了部分有用信息，此种现象称为栅栏效应。 )(tx)2/(10mtf .323.1 数据采集技术基础3.1.4 采样方式 p 1采样方式 q 在A/D转换当中，有两种基本的数字化采样方式：q 实时采样与等效时间采样。q 对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化，然后经过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入波形存储器。.333.1 数据采集技术基础q 实时采样的主要优点在于信号波形一到就采入，因此适用于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。 实

20、时采样实时显示单次波形.343.1 数据采集技术基础q 实时采样的主要缺点是时间分辨率较差。每个采样点的采入、量化、存储，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间分辨率要求很高，比如采样间隔要求只有几百ns或几十ns时，那么每个采样点的数字化过程就可能来不及做了。q 实时采样除了通常使用的定时采样（即等间隔采样）外，还常常使用变步长采样，即等点采样。这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期内均匀采样的点数总为.353.1 数据采集技术基础p N个。由于采样信号周期随被测信号周期变化，故通常称为变步长采样。变步长采样既能满足系统精度的要求，又能合理地使用系统内存单元，还能使增强

21、系统功能所要求的数据处理软件的设计大为简化。q 实时采样的特例为扫描转换技术，又称为闪光转换。扫描转换以快速采样的办法（例如使用CCD器件）收集信号波形，然后用一段时间成批地处理所有样本的转换。显然，这不是一种连续进行的数字化技术。 .363.1 数据采集技术基础q 等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率。然而，这种技术要求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢速度进行。采集的样本可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。一般也常将等效时间采样称为变换采样。 等效时间采样等效时间显示重复波形.373.1 数据采集技术基础q 下面我们来讨论一个静止图像帧数据

22、（采用30帧/s标准）的采样方案。q 假定一幅画面的带宽是6MHz，采用实时采样方式，根据采样定理，采样频率应为12MHz。如果采用等效时间采样方式，可以采用100kHz的模数转换器，每隔120个像素采样一次，帧间采样率稍低于100kHz保证挪后一个像素。则对第1帧采样的结果1，121，241，像素的数据，第2帧则是2，122，242，像素的数据。这样持续4s，采.383.1 数据采集技术基础p 集120帧数据，从而得到400K字的整个图像帧数据。显然，在这个过程中我们利用了画面静止的特性，也即利用了信号的重复性。在这个例子中，也使用了前面提到的欠采样概念。p 2采样方式选择 q 当被测信号有

23、效持续时间很短时，产生高重复频率的采样脉冲将很困难，因而采用实时采样方式也有困难。q 但如果被测信号是周期或重复信号，则可以 .393.1 数据采集技术基础p 考虑采用变换采样（即等效时间采样）。 q 从频域上说，一个系统的关健性能是其频带宽度，对一台数字化示波器，仪器的带宽将直接影响幅度与时间测量的准确度。q 通常带宽定义为显示波形衰减3dB的频率，这种定义将有大约30%幅度误差。为了避免这项误差，系统带宽必须超过输人信号带宽。至于超过多少为宜，这取决于要求的测量准确度。q 对于示波器这类系统，常规的标准是系统带.403.1 数据采集技术基础p 宽最好等于有用信号最高频率分量的3倍至4倍。

24、q 一个常见的错误是认为采样系统（例如数字化示波器）带宽是其采样频率的直接函数。这个概念仅仅对于单脉冲输人信号是对的。对于重复输人信号，由于采样系统可以使用随机变换采样或时序变换采样，将采样系统带宽与采样频率直接联系是不妥当的。q 在数字式示波器中，ADC必须对输人信号重复采样，以便“填满”数字存储器中的整个.413.1 数据采集技术基础p 波形。因此，等效时间采样需要重复的输人信号。但是，数字化的波形采样密度（最小采样间隔）和实际使用的采样频率无关。q 例如HP公司的500MHz示波器54503A使用了随机重复采样技术（随机变换采样），它能对输人信号波形进行高密度采样，其采样间隔可能接近20

25、ps，而实际使用的采样率仅具有50ns的最小周期，相当于20Mb/s。q 处理单脉冲式的输人波形时，被数字化的波形细微程度直接取决于仪器的最大采样率。.42 那么采样率与系统带宽又有什么关系呢？采样定理已经明确指出奈奎斯特频率的定义，它是最小采样频率的二分之一。q 任何模拟系统（数字化示波器由其信号输人与输出特性来看，也是模拟系统）都有频率偏离特性，它近似是高斯偏离的。q 如果一个系统输人放大器被限带于奈奎斯特频率，那么超过奈奎斯特频率的大量频率分量仍将被采样，进入系统引起混叠。q 也即此时不能保证采样定理的先决条件，这3.1 数据采集技术基础.433.1 数据采集技术基础 就是在被采样波形中

26、没有任何频率分量超过奈奎斯特频率。q 有些公司在数字式示波器研制中，倾向于用系统带宽把输人信号限制到采样频率的四分之一，即奈奎斯特频率的二分之一。3.2 典型的数据采集系统典型的数据采集系统 q 典型的数据采集系统如下图所示。来自传感器的输人模拟信号经过信号调理电路，模拟多路开关（MUX），测量放大器（IA），采样保持放大器（SHA），进入模数转换器 .44典型结构的数据采集系统框图3.2 典型的数据采集系统CPU存储数字信号ADCSHAIAMUX输入调理输入模拟信号传感器接收器输出调理DAC数字信号输出模拟信号外部世界数据缓冲总线.45p 转换为计算机可以接受的数字信号。计算机输出的数字信号

27、通过数据缓冲，进入数模转换器（DAC）转换为模拟信号，再经输出信号调理电路送往接收器。q 在自动测试、过程控制或科学实验等许多应用场合，只要接收外部传感器的输出、测量带有高电压的触点状态，或者输出给阈值定位执行器等情况，均需要在数据采集系统中采用信号调理电路。q 信号调理的目的是完成缓冲、放大、衰减、3.2 典型的数据采集系统.46p 滤波、隔离和线性化传感器信号等操作。具有贝塞尔(Bessel)或巴特沃思(Butterworth)特性的滤波器，可以保证系统输人信号的带限要求，也可以使调理器处理动态信号的能力增强。q 具有隔离功能的调理器可以使系统免受高电压的危害，对毫伏级的输人信号还提供噪声

28、抑制能力。大多数信号调理器对模拟信号采用磁隔离，对数字信号采用光隔离。q 广义地说，人们常将数据采集系统ADC之3.2 典型的数据采集系统.47p 前，DAC之后的电路，统称为信号调理电路。q 现代数据采集系统中，已广泛使用着各种类型的模拟多路开关（MUX），使来自多个传感器的信号可以分时复用同一套硬件电路（IA，SHA与ADC）。q MUX的基本配置方式是单端式。此种方式应用在所有输人传感器信号相对于系统模拟公共地测量上，而且信号电平显著大于出现在系统中的共模电压VCM。此时测量放大3.2 典型的数据采集系统.48 模拟多路开关的配置3.2 典型的数据采集系统(a) 单端输入配置(b) 伪差

29、动输入配置(c) 差动输入配置.49p 器的共模抑制能力基本未发挥，但系统可以得到最大的通道数。q MUX的伪差动配置，可保证系统的共模抑制能力，而无需减少一半通道数。这种方式仅适用于所有输人信号均参考一个公共电位的系统，而且各信号源均置于同样的噪声环境。q MUX的差动配置，应用在 个输人信号有各自独立的参考电位，或者是应用在信号长线传输引起严重的共模干扰时。这种配置可以n3.2 典型的数据采集系统.50p 充分发挥测量放大器共模抑制的能力，用以采集低电平信号，但通道数只有单端式的一半。q 测量放大器的建立时间随其增益的增加而上升。当放大器增益高于200时，可能达到误差范围0.01%，往往要

30、求 以内的建立时间。q 工程上经常采用的一种方案是，放大器增益范围选择由1到8，这样可能用较少时间，比如 时间建立到0.01%以内的误差范围。ss10050s1003.2 典型的数据采集系统.51q 由于放大器增益带宽乘积通常为一常数，我们也可以由放大器带宽出发来考虑问题。对一个14位系统，若希望放大器的输出建立在离最终值0.5LSB以内，所需建立时间约9.7倍时间常数。对于带宽为5kHz的单级放大器，建立时间为 ，即0.31ms。如果考虑噪声影响，则应限制放大器带宽。q 若放大器建立时间允许为10ms，则其时间常数约为1.03ms，放大器相应闭环带宽为154Hz。 s327 . 93.2 典

31、型的数据采集系统.52q 在进行数据采集系统设计时，必须首先决定在ADC前是否需要使用1个SHA？这通常由3个互相紧密联系的方面来决定：p . 采用何种类型的ADC；p . 需要数字化的输人信号频率；p . 系统要求的精度指标。q 当输人模拟信号变化相当缓慢时，一般可以不用SHA。工程上用下式作为是否采用SHA的依据，即 NFSBCONVVT23.2 典型的数据采集系统.53q 式中， 为输人模拟信号最大变化速度，p 为ADC转换时间， 为ADC满量程输人电压，N为ADC转换位数。q 也即当在 内输人信号电压最大变化幅度小于1个LSB时，可以考虑不采用SHA。当系统对转换精度有更高要求时，显然

32、应另作考虑。3.3 数据采集系统的技术要求3.3.1 数据采集系统的主要技术指标q 评价一个数据采集系统的主要技术指标有： CONVTFSRVCONVT3.2 典型的数据采集系统.54q 评价一个数据采集系统的主要技术指标有：u 系统通过速率；u 系统精度；u 系统分辨率；u 系统线性误差；u 系统共模抑制比；u 系统通道串扰抑制比；u 系统短期稳定度。q 此外，数据采集系统还有一些很重要的指标，例如系统控制方式，系统总数据量，系统可靠性，系统功耗要求，系统自动增益调节方式等。 3.3 数据采集系统的技术要求.553.3.2 高速数据采集系统的主要技术指标 q 对于高速数据采集系统来说，在诸多

33、技术指标中，最为重要的是u系统的分辨率u精度u通过率p 其中，系统通过率是高速数据采集系统区别于一般数据采集系统最为关键的一项技术指标。3.3 数据采集系统的技术要求.56p 1系统分辨率 q 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输人信号的最小变化量。通常用最低有效位值(LSB)、系统满度信号的百分数(%FSR)或系统可分辨的实际电压数值等来表示，有时也习惯用满度信号可以分的级数来表示。q 下表列出了满度值为10V时，数据采集系统的分辨率。 3.3 数据采集系统的技术要求.573.3 数据采集系统的技术要求.58p 2系统精度 q 系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，每个离散的采样样本的转

34、换精度。模数转换器的精度是一个系统精度的极限值，对一个8位分辨率的系统，采用一个8位的ADC，数据采集系统中的MUX以及SHA的精度均应明显优于选用的ADC器件，系统精度才能保证。p 3系统通过速率q 系统通过速率通常又称为系统速度、传输速3.3 数据采集系统的技术要求.59p 率、采集速率以及吞吐率等。q 系统通过速率是指每个通道每秒钟可采集、处理的样本数。q 对于一个包括模拟量输人及模拟量输出的采集系统，通过速率系指系统每个通道每秒钟可采集、处理与输出的样本数。q 数据采集系统只由一个模数转换器ADC构成，由传感器来的输人信号直接联至ADC输人端，系统通过速率将主要由ADC的转换时间 决定

35、。 3.3 数据采集系统的技术要求CONVT.603.4 计算机数据采集系统 3.4.1 计算机数据采集系统的基本构成q 早期的数据采集系统完全是由分立元件拼凑起来的，结构庞大，可靠性差，无数据处理能力，精度低，而且几乎都是专用系统。q 目前计算机已渗入到各个领域，数据采集系统的面貌也随之焕然一新，而且对数据具有计算、分析和判断的能力，因此又称为自动数据分析系统、智能测试系统。q 这种系统是由包括微型计算机在内的一些模块组成，其基本结构形式如下图所示。 第3章 数据采集与信号处理技术.613.4 计算机数据采集系统 典型的数据采集/控制系统绘图仪打印机显示终端计算机测控接口数字信号输入D/A模

36、拟信号输出多路切换开关A/DS/H信号调节与处理信号调节与处理信号调节与处理传感器1传感器2传感器n.62q 图中被测信号由传感器转换成相应的电信号（最终是电压），这是任何非电检测必不可少的一环节。不同信号其传感器是不同的，例如，若第1路被测信号是温度，其传感器可以是热电偶；第2路是力，传感器可以是应变片，等等。q 传感器输出的信号不能直接送到输出设备进行显示或记录，需要进一步处理。信号的处理由两部分完成，即模拟信号处理和数字信号处理。后者都由计算机承担，其中A/D转换是关键环节。3.4 计算机数据采集系统.63q 带计算机的测试系统的性能是很高的，其优点如下：p (1) 使测试自动化 q 由

37、于计算机有信号存储、判断和处理能力，所以能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、自动诊断故障、结果自动输出。 p (2) 提高测试精度 q 引入计算机后，系统可以进行数字滤波，对器件的非线性进行校正；系统可以进行自动校准以消除误差，多次重复测量可削弱随机误差。从而可提高测试精度。 3.4 计算机数据采集系统.64p (3) 通过数据变换实现多功能 q 测出频率后，通过倒数变换( )可得周期；测正弦波峰值可求得有效值( )；时域数据通过快速傅里叶变换可得到相应的频域数据；可求得信号的最大值、最小值、平均值。 p (4) 降低了测试系统成本 q 由于软件有替代硬件的功能，各种运算器、比较器、滤

38、波器、线性化器、定时器等都可由计算机承担，省去一大批硬件，从而降低了系统的成本。 3.4 计算机数据采集系统fT/12/mVV .65p (5) 提高了系统的可靠性 3.4.2 主要功能电路 p 1测量放大器 q 待测物理量的变化经传感器变换为相应电参数的变化，还需要经过信号调节，方能满足计算机数据采集系统的要求。q 信号调节是传感器与后续模拟电路的接口。它的功能是将传感器输出原始的受到多种噪声源干扰的低电平信号加以放大、处理、抑制噪声，统一格式，使之成为标准的电流(4mA20mA)或电压(0V10V)信号。 3.4 计算机数据采集系统.66q 测量放大器是信号采集与调节系统输人端的第一个电子

39、部件。其主要用途是对测量信号进行精密电压放大，抑制共模干扰，提高信噪比。对于测量放大器的要求是： u高输人阻抗，例如 ；u低偏流，例如10-15A；u高共模抑制比，例如106；u对称差分输人；u特别稳定；u单端输出；u可由用户选择电阻的不同接法确定增益。 3.4 计算机数据采集系统14121010.67q 测量放大器的功能原理如下图所示。 3.4 计算机数据采集系统基本测量放大器功能原理图直 流 电 源失 调 调 整V0=VINf(RG)或V0=VINf(RG,RS)采 样(VS)参 考 (VR)负 载测 量 放 大 器V0电 源 地(负 载 回 线 )RSRG噪 声增 益 外 接设 定 电

40、阻RSRSRGVIN+IN信 号 源误 差 电 压或 地 压 降.68q 最常见的测量放大器是下图所示的三运放式。放大器A1和A2构成差分输人输出的增益级，A3是减法器，将差分输人变为单端输出，这种电路结构具有很高的输人阻抗，源阻抗不平衡达 也不会导致CMRR下降。有单片及混合集成不同封装形式，电阻相对误差为0.1%或更高；输人阻抗 ；差模电压增益（AVD）103，可用一个电阻设定；在AVD等于或大于100时，CMRR达105。 3.4 计算机数据采集系统k1910.69q 三运放测量放大器如下图所示。 3.4 计算机数据采集系统三运放测量放大器RRR0A1A3RRA2R0R1+VCMVdiffS12RS12R.70q 在三运放的基础上，增加前级，增设输人级共模信号检测。反馈到前放电流源，如右图所示，当AVD为103时，CMRR可达106。这种测量放大器一般是模块式或混合集成封装，因为生产时需要修整内部电阻网络。 3.4 计算机数据采集系统高性能测量放大器RRR0R2R2RRV0R0VCMVdiffR1+前 放防 护 驱 动S12RS12R.71p 2模拟多路开关q 模拟多路开关是一种具有共输出端的开关阵列，用于从多路模拟输人中选择一路输出。输出信号在小误差范围内跟随选定的输人信号。通过多路开关，就可以利用一个高性能A/D系统来测量上