信号的采集与处理
主讲人：王坚
引 言
随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业和科学技术 研究全都需要借助数字处理方法，而进行数字处理方法的先决条件是将 所有的研究对象进行数字化，也就是所谓的数据采集与处理。 数据采集技术是以前段的模拟信号处理、数字化、数字信号处理和 计算机等高科技为技术形成的一门综合技术。它现在被广泛应用于图像 处理、振动测试、语音信号分析和瞬态信号分析等多个领域。所以它也 成为研究领域中必不可少的一门技术。
fs＞2fmax
或者
Tmax＞2Ts
需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保 证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时， 可以完全变换为原时域采样信号 xs(t) ，而不能保证此时的采样 信号能真实地反映原信号 x(t)。工程实际中采样频率通常大于信 号中最高频率成分的3到5倍。
0-5V 0-10V, ±5V, 020V, ±10V 0-10V, ±5V
12Байду номын сангаас位
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信号电压的输入范围是0-5V： ADC0809、AD574A、AD 679均可 信号频率为20KHz，周期为50s： 根据采样定理AD574A、AD 679均可 最小分辨电压 ADC0809：5/28=19.5mV AD574A：10/212=2.44mV AD 679：10/214=0.61mV 应该选AD 679
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调理通道
1.放大电路
微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也就是使调理后信号的最大电 压值和ADC1的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低高放 大倍数要求并可以提高较宽的动态范围。仪器信号调理的前端系统有几种放大模式， 靠近传感器的微弱信号经过放大增益，最后只把大信号送给计算机，以使噪声影响减 到最小。 时间域 直流放大器 交流放大器 电荷放大器
电 信 号
AD 转 换 器
数 字 信 号
单 片 机
电 平 转 换 电 路
计 算 机
数据采集系统的构成
• 传感器：将非电量转换成电信号输出。 • 调理通道：完成模拟信号的衰减、放大、隔离、滤波 、传感器激励和线性化等功能。 • 采样保持器：保证A/D转换过程中信号的稳定。 • A/D转换器：将模拟量转换成数子量。 • 单片机：进行数据采集。 • 电平转换电路：将TTL电平1转换成RS232C 2电平。 • 计算机：接收数据并进行处理。
4.激励
信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。RTDS(温度／电阻)需要电流 将电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都 提供电流源以便使用这些传感器。
5.线性化
多传感器对被测量的量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化 。
备注: 1:数据采集
采样保持器
A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，而在转换期间希望A/D转换器输 入端的模拟信号电压保持不变，才能保证正确的转换。当输入信号的频率较高时 ，就会产生较大的误差，为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换器开始转换 之前将信号的电平保持，转换之后又能跟踪输入信号的变化，保证较高的转换精 度。为此，需要利用采样保持器来实现。
信 号
模拟信号
模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的 时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模 拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化。电学上的模拟信号主要 是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放 大，相加，相乘等。
备注: 1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准
传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要 环节。
传感器的主要功能是接受物理信号然后转变为电信号。
14 位
单片机
单片机（Single chip microcomputer）微型计算机简称单 片机，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit），单片机芯片 常用英文字母的缩写MCU表示单片 机，单片机又称单片微控制器，它不 是完成某一个逻辑功能的芯片，而是 把一个计算机系统集成到一个芯片上 。单片机由运算器、控制器、存储器 、输入输出设备构成，相当于一个微 型的计算机（最小系统），和计算机 相比，单片机缺少了外围设备等。概 括的讲：一块芯片就成了一台计算机 。它的体积小、质量轻、价格便宜、 为学习、应用和开发提供了便利条件 。同时，学习使用单片机是了解计算 机原理与结构的最佳选择。它最早是 被用在工业控制领域。
单片机
单片机
1.模数转换器与单片机的接口
单片机
2.模数转换器与单片机的接口的编程
查询方式：
单片机
2.模数转换器与单片机的接口的编程
RF Av 1 R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来 确定。
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL f L )
调理通道
2.滤波电路
滤波可以消除噪声和不必要的干扰，噪声滤波器通常用于输入的信号是直流信号 。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的低通滤 波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信 号。
采样保持器
2.采样定理
2.1 采样信号的频谱 采样过程是将采样 脉冲序列p(t)与信号x(t) 相乘来．
采样脉冲序列p(t)与信号x(t)图谱
采样保持器
2.采样定理
2.2 频混现象
频域解释
时域解释
采样保持器
2.采样定理
2.3 采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率 必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样 定理。
两者区别
①模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的信号，时间上是连续的，幅度变 化也是连续的。 ②数字信号是通过0和1的数字串所构成的数字流来传输的，幅度变化是跳变的 。
数据采集系统的构成
一个典型的数据采集系统的处理步骤如下：
对 象
物 理 信 号
传 感 器
调 电 理 信 通 号 道
采 电 样 信 保 号 持 器
1.采样保持
采样保持是利用切断电容器的输入 后，电容器能保持其原有电压值的原理 实现的(图3—33)。 采样保持动作由两种模式构成；一 种是采样模式，即采样保持的输出跟踪 输入值；另一种是保持模式，即保持输 出值。
采样保持器
1.采样保持
在采样模式中，从保持模式移到采样模式的瞬间，输入值和输出值不一样， 需经过一段时间，两值才能达到一致，这就是滞后现象，如图3—34所示，图中Ts 表示开关滞后，TA表示稳定时间。进入跟踪状态后，一转换到保持模式、这时的输 入值便被保持，这种场合伴有各种误差。
采样保持器
3.采样方式
实时采样
数字化采样方式
顺序采样
等效采样
随机采样
A/D转换器
什么是A/D转换？
• A/D转换是外部世界模拟信号和计算机之间联系的接口。它将连续 变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理 、存储、控制和显示。
A/D转换的实现方式？
• A/D转换器件的种类非常多，其实现方式主要有逐次逼近式，双积 分式，计数式、并行式等。比较常用的有双积分和逐次逼近式两种 。
A/D转换器
2. A/D转换器的主要参数
例1：S3C2410中的A/D转换器 • • 8路10位，并支持触摸屏功能。 精度位1.5位，量程为0~3.3V，最 大转换速率为500K。
例1
例2： 8位模数(A/D) 转换器 ADC0809
例2
A/D转换器
3.模数(A/D) 转换器选用举例
• 采集一个频率为20KHz的信号，要求要分辨到2mV电压，信号电压的输入范 围是0-5V，试根据下表确定A/D转换器的型号 芯片 型号 AD C08 09 AD5 74A AD 679 分 辨 率 8 位 转 换 时 间 100 s 25 s 10 s 模拟输入范 围
A/D转换器
1. A/D转换器类型
1.1逐次逼近式A/D转换器 • 包括比较器、控制电路、逐次逼近寄 存器、D/A转换器构成。其基本原理是 逐次逼近寄存器各位首先清”0”，然 后设置最高位为”1”形成第一个试探 值。该试探值通过D/A转换器后与待测 量电压进行比较。如果待测量电压高 于试探电压，则保持最高位不变；反 之，则将最高位设置为”0”。然后将 逼近寄存器的次高位设置为”1”，继 续上述试探过程。通过从高位到低位 地不断试探逼近寄存器各位值，最后 得到转换结果。
Vi Vo + 比较器 控制电路 转换结束 转换启动信号
8位D/A 转换器
逐次逼近 寄存器
•
逐次逼近式A/D转换器的特点是转换速 度比较快，分辨率也较高，但是抗干 扰能力比较差。
缓冲寄存器 结果输出
逐次逼近A/D转换原理图
A/D转换器
1. A/D转换器类型
1.2双积分式A/D转换器
•
转换过程包括两步：1）对输入电压进行固定时间的积分，获得一个输出电压V0 ；2）对V0通过参考电压进行反积分，使其降低为0V，并统计反积分时间。
3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
调理通道
3.隔离（屏蔽 ） 隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开
，因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板 出来的数据不受地电位和输入模式的响。当输入DAQ1板的信号与得到的信号不 共地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号的准确 。