数据采集与信号调理一点通资料学习教案

1、数据采集与信号调理数据采集与信号调理(tio l)一点通资料一点通资料第一页，共41页。模拟输入模拟输入采样采样/量化量化1101数字输入数字输入数字信号数字信号处理处理1101数字输出数字输出模拟重建模拟重建模拟输出模拟输出第1页/共41页第二页，共41页。信息信息状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率onofft1-0-t0.985ttf信号信号模拟量模拟量数字量数字量开开/关信号关信号脉冲队列脉冲队列直流信号直流信号时域信号时域信号频域信号频域信号第2页/共41页第三页，共41页。电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率

2、分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时域信号时域信号雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发0.985ttf第3页/共41页第四页，共41页。onofft1-0-t开关信号开关信号输入：输入：检测一个开关的打开检测一个开关的打开/闭合闭合输出：输出：打开打开/关闭一个阀门关闭一个阀门驱动能力驱动能力通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率对采集卡的要求对采集卡的要求第4页/共41页第五页，共41页。信号(xnho)

3、调理传感器/ 信号(xnho)数据采集硬件I/O数据采集软件总线第5页/共41页第六页，共41页。传感器任意类型信号连接直接连接或通过接线端DAQ设备PCI/PXIPCIe/PXIeUSBEthernetPCWindowsLinuxMac数据采集(cij)硬件可以将PC变为一个自动化系统第6页/共41页第七页，共41页。第7页/共41页第八页，共41页。PXI控制器及机箱(可大致(dzh)理解为PC)接线端（前面凸出部分(b fen)）信号调理与数据采集（接线端后面）第8页/共41页第九页，共41页。USB总线（注意: 不是前面(qin mian)所说的传输电缆）接线端+传输线缆+数据采集设备

4、PC第9页/共41页第十页，共41页。图图1.1 数据采集系统硬件数据采集系统硬件(yn jin)基本组成基本组成第10页/共41页第十一页，共41页。3.5.1 数据采集数据采集(cij)系统结构形式的确定系统结构形式的确定常见的数据采集形式有以下常见的数据采集形式有以下(yxi)几种：几种：单通道数据采集系统单通道数据采集系统多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统多通道同步型数据采样系统多通道同步型数据采样系统多通道共享采样多通道共享采样/保持器与保持器与A/D转换器转换器第11页/共41页第十二页，共41页。多通道多通道A/D转换转换(zhunhun) 第12页/共41页第十三页，

5、共41页。单通道共享单通道共享A/D转换器转换器 第13页/共41页第十四页，共41页。多通道共享采样多通道共享采样(ci yn)保持器与保持器与A/D转换器转换器 第14页/共41页第十五页，共41页。第15页/共41页第十六页，共41页。第16页/共41页第十七页，共41页。3.5.2 系统参数设计系统参数设计(shj)和器件选择和器件选择数据数据(shj)采集系统的主要技术指标：采集系统的主要技术指标：被采集信号的特点被采集信号的特点系统响应时间系统响应时间系统分辨率系统分辨率系统的精度系统的精度第17页/共41页第十八页，共41页。位数位数级数级数1 LSB（满度值的百分数（满度值的百

6、分数）1 LSB（10V满度）满度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.0015%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV24167772160.0000060%0.60 uV表表1.1 系统系统(xtng)的分辨率（满度值为的分辨率（满度值为10 V）第18页/共41页第十九页，共41页。第19页/共41页第二十页，共41页。minmaxlg20iiiVVI minmaxlg20ffAAI 第20页/共41页第二十一页，共41页。%100.2322212322AAAAAH第21页/共41页第二十二页，共41页。 选

7、择多路模拟开关时，应充分考虑信号的特点及系统特性，尽量选择导通电阻小、漏电电流小、切换速度快的芯片，同时应注意要适当(shdng)地限制通道数量，有必要时可以采用MUX的多路扩展方式。第22页/共41页第二十三页，共41页。采用A/D转换器的模拟信号采集是一个要求比较高的工作，需要考虑多方面的问题。这里介绍需要重点注意的几个问题。采样速度。采样速度决定了数据采集系统的实时性。采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数来决定。采集速度越高，对模拟信号复原的越好，也即实时性越好。根据奈奎斯特采样定理可知，数据采集系统对源信号无损再现的必要条件是，采样频率(pnl)至少为被采样信号最高频率

8、(pnl)的两倍。第23页/共41页第二十四页，共41页。A/D转换精度(jn d)。对于复杂系统，一般计算系统中各环节的方和根误差。信号源阻抗、信号带宽、A/D转换器分辨率和系统的通过率都会影响误差的计算。正常情况下，A/D转换前向通道的总误差应小于等于A/D转换器的量化误差，否则选取高分辨率A/D转换器也没有实际意义。孔径误差。A/D转换是一个动态的过程，需要一定的转换时间。而输入的模拟量总是在连续不断变化的，这样便造成转换输出的不确定性误差，即孔径误差。为了确保较小的孔径误差，则要求A/D转换器具有与之相适应的转换速度。否则，就应该在A/D转换器前加入采样/保持电路以满足系统要求。第24

9、页/共41页第二十五页，共41页。系统通过率。系统的通过率由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及A/D转换器的转换时间确定。在模拟信号的数据采集系统中，有正常(zhngchng)顺序和重叠两种采集方式，采用低分辨率A/D转换器、减少模/数转换环节及采用重叠方式采集时，可获得较大带宽的通过速度。 第25页/共41页第二十六页，共41页。（1）如何(rh)确定A/D转换器的位数A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两个方面进行考虑。目前，大多数测量装置的精度值不小于01%0.5%，故A/D转换器的精度取0.05%0。1%即可，相应的二进制码

10、为1011位，加上符号位，即为1112位。当有特殊的应用时，A/D转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度的转换方案。 第26页/共41页第二十七页，共41页。（2）如何确定A/D转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。确定A/D转换器的转换速率时，应考虑系统(xtng)的采样速率。 第27页/共41页第二十八页，共41页。例如，如果用转换时间为100us的A/D转换器，则其转换速率为10KHz。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10个样点，那么(n me)这样的A/D转换器最高也

11、只有处理频率为1KHz的模拟信号。把转换时间减小，信号频率可提高。 书中主要讲述了如何确定书中主要讲述了如何确定A/D转换转换(zhunhun)器的位数以及如器的位数以及如何确定何确定A/D转换转换(zhunhun)器的转换器的转换(zhunhun)速率，详细公式和速率，详细公式和实例说明见书实例说明见书P7778页。页。第28页/共41页第二十九页，共41页。3.5.3 高速数据采集高速数据采集(cij)系统系统1 高速数据采集系统分类2 高速数据采集系统基本功能3 高速数据采集系统的结构形式(xngsh)4 高速数据采集系统基本原理5 高速数据采集系统的发展趋势6 高速数据采集的应用第29

12、页/共41页第三十页，共41页。高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法有以下几种：根据适应环境不同：隔离型和非隔离型，集中式和分布式；根据控制功能：智能化和非智能化采集系统；根据模拟信号的性质：电压(diny)和电流信号，高电平和低电平信号，单端输入和差分输入；根据信号通道的结构方式：单通道及多通道输入方式。第30页/共41页第三十一页，共41页。 一般来说，高数采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入计算机处理，得到特定(tdng)的数据结果。同时将计算得到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。第31页/共41页第三十二页，共41页。从高速数据采

13、集系统的硬件组成来分，有两种：集成微型计算机的数据采集系统，集散型数据采集系统。集散型数据采集系统由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的数据采集卡组成的数据采集系统，可以独立采集模拟(mn)和数字信号，数据通过光纤或网络传输到PC的硬盘进行保存及处理。集成微型计算机的数据采集系统则是将PC及数据采集卡集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部的硬盘，无需通过线缆传输。第32页/共41页第三十三页，共41页。下图是基于DSP的数据采集系统，一般包括：AD模数转换芯片、SDRAM动态数据存储元件、Flash静态数据存储元件、HPI主机接口、USB接口、PCI接口等。典型的数字信号处理(xn ho

14、 ch l)过程如图所示。第33页/共41页第三十四页，共41页。 输人信号可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信号。如果输人信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放大器单元将输入信号幅度放大或者缩小后，送到AD进行模数转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到AD进行模数转换。AD能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足奈奎斯特采样定理，也就是为了保证不丢失(dis)信息的所有信息，采样频率必须高于输入信号最高频率的2倍，一般为5倍以上。AD变换后得到的数字信号输人到DSP芯片；再由DSP芯

15、片对该数字信号进行各种数字信号算法的处理。第34页/共41页第三十五页，共41页。(1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集(cij)系统的性能。(2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集(cij)系统的广泛应用。(3)智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集(cij)系统的发展产生深远的影响。(4)与微型机配套的数据采集(cij)部件的大量问世，大大方便了数据采集(cij)系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集(cij)系统技术的进一步发展。(5)分布式数据采集(cij)是数据采集(cij)系统发展的一个重要趋势。

16、第35页/共41页第三十六页，共41页。高速数据采集系统具有极高的采样率，尤其适合用于瞬间(shn jin)测量量产生变化的场合。例如：在电力传输或者爆炸，冲击波，火箭发射过程中。电力测试的应用包括：第36页/共41页第三十七页，共41页。高压脉冲测试高压脉冲测试大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能. 其暴露在野外，经常遭其暴露在野外，经常遭受雷击，进而可能损坏变电站的设备受雷击，进而可能损坏变电站的设备. 元器件的损坏将导致部分电力分元器件的损坏将导致部分电力分配能力的损失，并耗费高昂的修理费用配能力的损失，并耗费高昂的修理费用. 变压器，电涌放电

17、器，绝缘变压器，电涌放电器，绝缘(juyun)体和开关设备的测试体和开关设备的测试 对于质量校准过程和保证元件的承受对于质量校准过程和保证元件的承受力是非常重要的力是非常重要的.电力开关设备测试电力开关设备测试开关设备测试开关设备测试 是一个巨大的挑战是一个巨大的挑战, 要求特殊的要求特殊的 硬件和软件硬件和软件 才能产生精才能产生精确可靠的测试结果确可靠的测试结果. 硬件的挑战包括绝缘硬件的挑战包括绝缘(juyun)，放大器漂移，噪，放大器漂移，噪声和抗电磁干扰和需要电池操作等。软件挑战包括数据完整，重复性声和抗电磁干扰和需要电池操作等。软件挑战包括数据完整，重复性和可靠性等。例如核电备用柴

18、油机的测试。和可靠性等。例如核电备用柴油机的测试。第37页/共41页第三十八页，共41页。零区测试零区测试零区零区 (CZ) 指的是在高功率断路器上的中断现象指的是在高功率断路器上的中断现象. 现在不可能通过现在不可能通过中断高压电路来进行，而是通过其他方式，如电弧中断高压电路来进行，而是通过其他方式，如电弧. 所有的电路所有的电路中断器都通过移除相互之间的接触来完成，这样接触之间产生电中断器都通过移除相互之间的接触来完成，这样接触之间产生电弧弧. 零区现象零区现象 是压力，温度是压力，温度(wnd)，离子密度，等离子流等的，离子密度，等离子流等的指标指标. 零区测试零区测试 用来了解电弧现象以及确定成功的电流中断的主用来了解电弧现象以及确定成功的电流中断的主要参数。要参数。第38页/共41页第三十九页，共41页。爆炸和火工品测试：爆炸和火工品测试：航天器上使用了大量的火工装置来