第1章 计算机数据采集系统概述
计算机数据采集系统
主要内容
1、计算机数据采集系统的基本概念、基本 组成、发展现状
2、模拟信号的数字化处理
1 数据采集技术
数据采集技术(Data Acquisition)是信息科学的一个 重要分支,它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控 制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制 等领域，都存在着数据的测量与控制问题。
1.1数据采集系统的结构形式
数据采集系统主要由硬件和软件组成。
从硬件方面来看，有两种结构形式：一种是微 型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据 采集系统。
一、微型计算机数据采集系统
由传感器、模拟多路开关、程控放大器、 采样/保持器、A/D转换器、计算机及外 设等部分组成。
框图如下
图1
微型计算机数据采集系统框图
1 2 fc
x(t ) xs (nTs )
sin[(t nTs ) (t nTs ) *

Ts
]

Ts
唯一确定.Fc称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。 采样定理给出无失真地恢复原信号的条件。
2.3.2采样定理中两个条件的物理意义
1.连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，即信号 的频率f在
2.4.2 消除频率混淆的措施：
(1)对于频域衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法 来解决。 (2)对于频域衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解 决：低通滤波器。 (3)既采用消除频混滤波器进行滤波，又将采样频率提高 到3到5倍。
2.4 采样技术的讨论
解决不失真采样和大数据存储的问题。 (1)常规采样： (2)间歇采样：以丢失模拟信号的部分信息为代价来解决数据 存储空间不足的问题。 (3)变频采样：采样频率可以变化，使测速精度近似不变。 (4)下采样
2 模拟信号的数字化处理
微机---计算机数据采集系统的核心
2.1 概
述
连续的模拟信号转换为离散的数字信号， 经历了两个断续过程： 1.时间断续：采样 X(t) Xs(nTs) 2.数值断续：量化，即把采样信号Xs(nTs) 以最小数量单位的整倍数来度量. 信号转换过程如图所示。
2.2 采样过程
二、集散型数据采集系统
由若干个数据采集站和一台上位机及通信线路组成。
图2
集散型数据采集系统框图
三、数据采集系统的软件
数据采集系统的软件一般包括： 模拟信号采集与处理程序 数字信号采集与处理程序 脉冲信号采集与处理程序 开关信号采集与处理程序 运行参数设置程序：采样通道号，采样点 数，采样周期，信号量程范围，放大器增益系 数，工程单位等 系统管理程序：主控程序 通信程序
fc 1 /(2Ts)
n
有 xs (nTs) Asin(2fcnTs ) A(1) sin
则当 =0时,采样信号为零,无法恢复原模拟信号.
0 sin 1 时,采样信号幅值小于原模拟信号
sin 1 时, 采样信号幅值等于原模拟信号.
2.4频率混淆及消除措施
1.2应用领域
几乎涉及到农业、国防、科研及民用工业等所 有的领域。 例如：在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、 震动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、 工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广 泛的应用。
1.3发展趋势
采集数据的速度超高速化 采集数据的点数海量化 采集数据的存取网络化，与可通过Internet进 行存取，工作人员不需在待控过程或需采集数 据的传感器附近工作。

采样周期Ts决定采样信号的质量和数量:
Ts太小, Xs(nTs)数量剧增,占用内存;
Ts 太大, 模拟信号的某些信息被丢失.
设有连续信号x(t),其频谱为X(f),以采样周期Ts采得的 离散信号为xs(nTs) . 如果频谱X(f)和采样周期满足下列条件: (1).频谱X(f)为有限频谱,即当F1的绝对值大于等于fc(截止 频率)时,x(f)=0; (2). Ts 则连续信号
2.2 采样过程
采样过程可以看作脉冲调制过程
xs (nTs ) x(t ) Ts (t ) xs (nTs ) x(t ) (t nTs)
n n
xs (nTs )
n n
x(nT ) (t nT )
s s
2.3.1 采样定理
2.4.1 频率混淆 如果Ts取的过大,使Ts>1/(2fc) 时,将会出现x(t)中的高频成分被 叠加到低频成分上去的现象,这种 现象称为频率混淆. 不产生频率混淆现象的临界条 件是fs=1/Ts=2fc。或者说，当采 样间隔一定时，不发生频率混淆 的信号最高频率为fc=1/（2Ts） 信号能相互混淆的频率为： f 1 f 2 kfs; (k 1,2,3,...)
0 f fc
2.采样周期Ts不能大于信号 周期Tc的一半。
2.3.3 采样定理不适用的情况
采样定理在
fc 1 /(2Ts)
时是不适应的。
例如,设连续信号为:
x(t ) Asin(2fc );0 2
其采样值为: 当
xs(nTs) Asin(2fcnTs )
将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度 等模拟量（Analog Signal）转换为数字信号 （Digital Signal）, 再收集到计算机并进一步予以 显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采 集”。相应的系统即为数据采集系统（Data Acquisition System,简称DAS）。