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。
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。
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。
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。
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。
双积分式A/D转换的抗干扰能力比较强，性能稳定，但是转换速度比较慢。
Vi 比较器 标准电压 积分器 积分器电压 放电斜率固定
•
控制逻辑
固定积分 标准放电 时间 时间T1
时间
计数器
双积分式A/D转换原理图
待测放电 时间T2
A/D转换器
2. A/D转换器的主要参数
• 量程，指所能转换的模拟输入电压范围，可以分为单极型和双极型 两种。 • 分辨率(LSB)，指A/D转换器所分辩的最小模拟输入量。n位A/D转换 器能反应1/2n满量程的模拟输入电平。 • 精度，包括绝对精度和相对精度两种。其中绝对精度是指在A/D转 换器输出端产生给定的数字量时，其实际模拟输入值同理想值之差 ，相对精度是指在满量程值已经校准的情况下，在量程范围内任意 数字量输出，所对应的模拟量输入值与理论值之差。 • 转换时间，指从发出启动命令到转换结束获得整个数字信号为止所 需要的时间间隔。
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 。
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 。
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
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。
8
调理通道
1.放大电路
1.1直流放大电路
1) 同向放大器 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭 环电压增益Av为:
RF Av 1 R1
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置 放大级。
调理通道
1.放大电路
1.2交流放大电路
若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其 中电容C1、C2及C3为隔直电容。
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
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。
（介绍 ） （介绍 ）
频率域 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
幅度增大 幅度增大 电荷增大 △Z Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
放大器
电桥
备注: 1:数模转换
调理通道
1.放大电路
1.1直流放大电路
1) 反相放大器 反相放大器是最基本的电路，其闭环 电压增益Av为:
Av RF R1
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千 欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。
6
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
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。
低通滤波器
高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 低通 带通
滤波器
高通
带阻
调理通道
2.滤波电路
2.1 RC无源滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。 而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容 元件 。 1) 一阶RC低通滤波器