数据采集基础知识

数据采集基础知识张斌北京凌华技术支持部内容大纲信号与系统初步基本定义A/DD/ADIOTimer/Counter信号与系统初步一个典型的系统：模拟输入采样/量化1101…数字输入数字信号处理1101…数字输出模拟重建模拟输出信号与系统初步(续)信号的分类：信息状态速率幅值形状频率onofft1-0-t0.985ttf信号模拟量数字量开/关信号脉冲队列直流信号时域信号频域信号信号与系统初步(续)数字信号onofft1-0-t开关信号输入：检测一个开关的打开/闭合输出：打开/关闭一个阀门驱动能力通道数脉冲队列输入：读光编码器的输出信号输出：产生一个方波时钟频率对采集卡的要求信号与系统初步(续)模拟信号电压信号温度压力流量应力DC精度频域信号振动语音声呐分辨率采样频率精度触发对采集卡的要求时域信号雷达回波血压变化汽车点火波形分辨率采样频率精度触发0.985ttf信号采集传感器信号调理放大滤波信号转换……将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出采样频率、抗混频滤波器和样本数奶奎斯特频率：给定采样频率那么能正确显示信号而不发生畸变的最大频率。混频：由于采样频率太低而使得还原的信号频率与原信号频率不同，这种畸变称为混频。抗混频滤波器：在信号被A/D转换前让信号经过一个能将高于奶奎斯特的信号成分滤除掉的低通滤波器。工程实践中按照信号最高频率成分的5—10倍进行采样。数据采集系统的构成A/D转换BUFFER/FIFO驱动程序内存/BUFFER程序显示硬件外触发信号数据采集是否需要板上的BUFFER?数据采集是否需要使用外触发启动、停止或同步？缓冲和触发缓冲指计算机中的BUFFER，板上的不能保存数据。如果所使用DAQ卡上有DMA那就直接进入计算机内存了。在以下几种情况需要使用BUFFER:1.需要采集许多样本，其速率超过显示或处理速度的。

2.需要连续采集并且同时进行分析和显示数据的。

3.采样周期必须准确均匀通过样本的。在下列情况不适用BUFFER:1.数据短小每秒只采集有限点的。

2.需要缩减存储器开支的。触发可以分为软触发和硬件触发。1.当用户需要对所有采集操作有明确的控制并且事件定时不需要非常准确的采用软触发。2.当采集事件需要定时非常准确、用户削减软件开支或采集事件需要与外部装置同步时可以考虑采用硬件触发。典型物理量的经验采样周期被测物理量采样周期（秒）流量1--2压力3--5液位6--8温度10--15成分15--20采样技术常规采样：变化缓慢信号间歇采样：高速数据采集变频采样：得明确信号随时间变化的关系下采样：即带通采样，适合于当被采集信号中最低频率大于最高频率一半时，可以采用。模拟信号的采样方式无条件采样：A/D转换时刻准备好的情况。包含定时采样和变步长采样。便于信号显示。无需控制信号介入。条件采样：程序查询、中断控制方式。中断方式：不适合信号源多的情况，适合一两个特别重要信号不许错过的情况。查询方式：能够等待或一个系统只是实现采集信号时可以使用。直接存储器存取DMA：高速数据采集系统。多路开关电子式的多路开关可以分为双极型晶体管、场效应管开关、集成电路开关三种。第一种开关速度快但漏电流大、开路电阻小如果信号源内阻大转换精度不高。把场效应管开关和计数器、译码器、控制电路做成一片就是集成多路开关。集成的多路开关有带译码的和不带译码的。有一对多的，也有既可一对多也可多对一的。其中AD7501、AD7502、AD7503是多对一的，而CD4501/CD4502则属于后者。多路开关配置时有单端接法和双端接法。当信号源信噪比小时采用后者，注意前者是将所有输入信号均参考一个公共地，即各信号噪声一样，否则引入差模干扰。多路开关从一个通道切换到另一个通道时，建议软件延时，以防转换时的瞬变尖峰电压。即消抖。多路开关可以扩展使用以增加通道数目。在自动数据采集中，应选用“先断后通”的多路开关。否则，就会发生两个通道短接的现象，严重时会损坏信号源或多路开关自身。PCBased信号采集系统PCBase数据采集系统功能A/D转换（模拟量/数字量转换）D/A转换（数字量/模拟量转换）DIO（数字量输入/输出）Timer/Counter（定时器/计数器）基本定义A/D：模拟量-数字量转换把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号采样频率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit输入范围(InputRange)(增益)：同步采样(Simultaneousanaloginput)轮询采样(Multiplexanaloginput)突发模式采样(Burstmode)触发模式(Triggermode)隔离(Isolation)FIFO……A/D转换过程A/D转换器模拟量输入A/D转换时钟数字量输出A/D转换过程--多路切换卡多路选择+_A/D转换器模拟信号A/D触发信号数据缓冲区n1.信号源控制

通道数

信号类型(SE/DI)

信号范围

自动通道扫描2.触发源控制

触发信号源

采样频率3.A/D数据缓冲区

数据寄存器FIFO缓冲区AT总线或PCI总线内存(Buffer)4.数据传输I/O指令DMA

总线主控中断信号CPU5.中断信号控制6.A/D分辨率与数据格式

数据位数

二进制代码或补码

单极性或双极性7.隔离与非隔离A/D转换的过程--同步板卡模拟信号A/D触发信号数据缓冲区+_A/D转换器nPCI总线内存(Buffer)CPU+_A/D转换器n+_A/D转换器n…模拟信号模拟信号A/D基本定义信号的频率代表信号变化快慢的物理量任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加不同的信号频率不同：语音：<4kHz音乐：<20kHz超声：20kHz~xxMHzFM收音机：MHz雷达：xGHz…A/D基本定义采样频率采样周期的倒数表示采样快慢的物理量多少时间采一个点/每秒采样多少个点Nyquist采样定律：fs>=2*fmaxfs：采样频率

fmax：信号最高频率一般最小为fs>=2.5*fmax工程上一般取为fs>=6~8*fmax采样定律的特例等效时间采样A/D基本定义足够的采样率下的采样结果

过低采样率下的采样结果

A/D基本定义能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias）混频偏差（aliasfrequency）＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率）解决方案在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去称为抗混叠滤波器A/D基本定义采样频率的控制SoftPolling（内部软件触发，通过I/O指令实现）TimerPacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟）例如：频率=2MHz时钟/（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数）ExternalCLK/Trig（外部时钟）三种方式的特点软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC信号内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求CLK与TriggerA/D基本定义Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发预触发中触发后触发模拟触发数字触发上升沿触发MNN下降沿触发正沿触发负沿触发触发事件A/D基本定义下列情况适用软件触发模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）用户需要对所有采集事件进行明确控制时间要求不甚严格下列情况适用硬件触发模式采集事件需要与外部装置严格同步高速、瞬态采集事件A/D基本定义多通道采样同步采样采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟保证不同通道的采样时间相同（信号同步）轮询采样只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换通道转换时间可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步突发模式采样用通道时钟控制通道间的时间间隔用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔A/D基本定义信号类型从信号端来讲，信号分为接地信号浮空信号从信号输入端来讲，输入方式分为差分输入（DI）参考地单端输入（RSE）无参考地单端输入（NRSE）一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。接地信号浮空信号DI适合适合RSE不适合适合NRSE适合适合A/D基本定义接地信号的测量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式A/D基本定义浮空信号的测量可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10Kohm<R1=R2<100Kohm信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需A/D基本定义几种信号输入方式的特点差分输入可避免接地回路干扰可避免因环境引起的共模干扰NRSE可避免接地回路干扰RSE最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入信号幅值较大，一般需>1V连线比较短，一般<5m环境干扰很小或信号屏蔽比较好所有输入信号都与信号源共地否则建议选用差分输入方式总体而言，差分输入方式是比较好的选择A/D基本定义输入范围与增益输入信号的幅度/输入信号的放大倍数单极性与双极性双极性：e.x.-10V~+10V(20V范围)单极性：e.x.0V~+5V(5V范围)跳线设置或编程设置可编程增益对于大信号应用：普通增益（1,2,4,8）对于小信号应用：高增益（1,10,100,1000）例如：输入电压范围：+/-10V,普通增益可选择的输入电压范围：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VA/D基本定义采样精度/分辨率