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数据采集
第九章 数据采集技术
主要内容
l 数据采集概述，什么是数据采集
l 模拟信号的数字化处理
l 多路模拟开关、测量放大器
l 采样/保持电路
l 模/数转换器、数/模转换器
l 数据采集的抗干扰技术
l 传感器、数据采集系统设计（自学内容）

2001年4月1日， 一架美国海军 EP-3型侦测机在南中国海进行侦察，中国海军航空兵派出2架歼-8II战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在海南岛东南70海里上空与美机发生碰撞、坠毁，飞行员王伟跳伞，下落不明，后确认牺牲， 美国军机迫降海南岛陵水机场……
执行侦查任务¡ª¡ª收集中国军事情报。

2008年9月25日，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射。点火583秒，飞船与火箭在高度约200公里处成功分离。
发射测控网共设 13个站，其中上升段有3个站：发射场的东风站、渭南站和青岛站， 这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100%。入轨段有两条测量船：远望一号和远望二号……
对象测控¡ª¡ª数据采集与目标控制

l 类似的例子很多，如物联网。上述实例中，进行情报收集或完成测控任务，完全依赖于信息技术。
l 信息技术的核心包括信息获取、通信传输以及计算机数据处理技术，其中信息获取是基础和前提，而信息获取的主要手段是数据采集技术；数据采集技术随着微电子技术、电子技术、计算机技术的进步得到迅速发展，发挥着越来越重要的作用。
l 数据采集技术与计算机技术密切相关，根据大纲要求，在计算机原理课程中增加数据采集技术的内容。
§9.1 概 述
一、数据采集的基本概念
1、数据采集
计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。
数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后，由非电量变换成电量，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，输入计算机进行处理或存储记录的过程。

2、数据采集系统
用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。
3、数据采集系统任务
数据采集系统的任务主要有三项：
l 把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机
l 通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息
l 实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制

二、数据采集系统的基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。硬件基本组成示意图如下。

常把传感器输出到A/D转换器输出的信号通道称为模拟通道。

1、传感器
传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电信号，例如电流、电压、频率或脉冲等。
举例：热电阻可以把变化的温度转换为变化的电压；
转速传感器把转速转换为电脉冲，等。
2、放大器
放大器用来放大和缓冲输入信号。
传感器输出的信号较小，通常在几毫伏到几十毫伏之间，人体生物电信号为微伏量级。需要放大，以满足ADC满量程输入的要求，如5 ~ 10V。放大器还起到阻抗变换器的作用，来缓冲输入信号。放大器的种类比较繁杂。

3、滤波器
滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比。
传感器和电路中的器件会产生噪声，人工发射源通过耦合使信号通道感染噪声，其它用电器产生的谐波污染等。数据采集必须有效去除噪声才能获得可信的数据。
4、多路模拟开关
多路模拟开关为电子开关，用来分时选通来自多个输入通道中的某一路信号，以实现多路巡回检测。功能：扩展输入路数， 减少后续电路器件数(S/H、ADC等只需1套）。可节省成本和体积，但会降低采集速度，增大误差，适合变化缓慢的物理信号。

5、采样/保持电路（S/H）
A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间内，A/D转换器的模拟输入信号不能变化，否则不能保证转换精度。
采样/保持电路的主要作用是快速拾取模拟输入信号， 并保持其幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度；如果把S/H电路放在多路开关之前，可实现对多路模拟瞬时信号同时采样。
6、模数转换器（ADC）
模数转换器的主要作用是把模拟信号转换为数字信号，其输入是采样/保持电路的输出，输出是计算机接口的输入。ADC是模拟输入通道的关键电路，是影响系统采样速度和精度的主要因素之一。

7、计算机I/O接口
A/D转换结果要送入计算机处理，而数据处理后还要送出计算机，都需要借助于计算机I/O接口完成。
8、定时与控制逻辑
在数据采集系统中，各器件的定时关系是非常严格的，如果定时不合适，会严重影响系统的采样精度。
例如，在多路模拟开关、采样/保持，AD转换之间， 哪个开启、开启多长时间有严格的规定。
定时与控制逻辑侧重于为完成数据采集任务所进行的控制功能，是面向系统的。 定时与控制逻辑在结构图中没有画出。

三、数据采集系统的主要指标
对数据采集系统性能指标的要求主要取决于具体应用的目的和应用的环境。以下介绍几个常用指标的含义。
1、系统分辨率
数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占满量程的百分比表示，或用系统可分辨的最小电压值或满量程可划分的级数表示。以10V满量程为例：

2、系统精度
系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，通常表示为满量程的百分数。系统精度是系统各种误差的总和，模数转换器的精度是系统精度的极限值。实际情况是，系统精度达不到数模转换器的精度。
3、采集速率
采集速率也叫吞吐率，是指在满足精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。
采样速率是采样周期的倒数，采样周期表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。采样周期内需完成采样、量化、编码、传输、处理等的全部工作。

4、动态范围
某个物理量的变化范围，即信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。设允许输入信号的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，则动态范围表示为：
Vimax
Ii = 20lg
Vimin
5、非线性失真
非线性失真也叫谐波失真，当系统输入一个频率为 f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为 kf （k为正整数）的新的频率分量，这种现象称为非线性失真。用谐波失真系数衡量。

四、数据处理的任务
数据采集是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等为基础而形成的一门综合应用技术学科，除硬件设备外，往往需要软件的支持，以对所采集的数据进行分析与处理，并完成信息的表示等，是软件要完成的任务。
数据类型的不同、应用领域的不同，数据处理方法会有很大差别。本章的重点放在数据采集原理上，而对具体的数据处理方法将不作详细介绍。

1、信号分类（◎▲◎）
信息通过信号来传递，信号是信息的载体，是信息的表现形式。数据采集的对象是信号；数据处理的目的是获取信息。
信号 数据 信息
了解信号的分类有利于找到规律，便于数据处理。
（1）按信号特性分类

l 确定信号：能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，如正弦曲线、指数曲线等。
• 周期信号：按一定周期重复出现的信号。
• 非周期信号：不按固定周期出现的信号。
l 随机信号：不能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，但服从某种统计规律，如产品的合格率等。
• 平稳随机信号：统计特性不随时间变化。
• 非平稳随机信号：统计特性随时间变化。

上述信号还可以继续分类，如周期信号可分为谐波信号和复杂周期信号等，这里不再讨论。

（2）按信号形式分类
l 模拟信号
幅度的取值是连续的，为时间上连续变化的信号，如电压、温度等，输入计算机前需要经过采样、量化和编码，进行离散化。
l 状态信号
物质系统所处的状况，一个状态可由一组物理量来描述。状态信号则可由二进制代码来表示。水在不同的温度下会有不同状态，温度＜0℃ ：固态，温度＞100℃：气态。固态、液态和气态可用00、01、10状态信号来表示；开关的状态可用0和1表示。
l 数字信号
幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。例如某种量的二进制编码就是一种数字信号。
——根据信号的分类和应用的不同，处理方法也不尽相同。

2、数据处理的类型
数据处理有多种类型，对于数据采集系统而言有以下分类。
（1）按处理方式分类
l 实时处理：在采集数据的同时，对数据进行某种处理，实时处理也称为在线处理。对于高速数据采集，实时处理必须快，否则会丢失数据。
l 脱机处理：非实时处理，处理时间不受限制，可以按要求进行复杂处理。
（2）按处理性质分类
l 预处理：去除数据奇异项，数据滤波，数据转换等。
l 二次处理：对数据的进一步处理，获得有用的信息。

3、数据处理的任务
数据处理是必须的，主要任务如下：
（1）消除干扰信号
在数据的采集、传送和转换过程中，会受到干扰和噪声的影响，所采集的数据中会含有干扰信号，需要采用各种方法最大限度地消除数据中的干扰成分，保证数据的精确度。
消除干扰信号的方法很多，可采用硬件的方法，例如硬件低通滤波器等；也可采用软件的方法，例如软件中值滤波算法、惯性滤波等。

（2）进行物理解释
诸如温度、压力等被采集量经传感器转换为电量，该电量在经过采样、量化和编码等环节之后，送入计算机中变为一组代码，无明确的物理意义。数据处理任务之一就是要将其还原成原来对应的物理量。
（3）分析数据的内在特征
对采集的数据进行加工（如傅立叶变换），或在关联的数据之间进行某种运算（如计算相关函数），从而得到能表达数据内在特征的二次数据，获取有用的信息。
（4）数据表示与数据存储
通过某种形式对处理结果做出适当的、直观的表示，以便于信息的理解，如图形、曲线、表格等。完成数据的存储。
§9.2 模拟信号的数字化处理
在数据采集系统中，同时存在着两种不同形式的信号：模拟信号和离散信号。在进行数据采集时，首先遇到的问题是如何把传感器所测量的连续模拟信号转换为离散数字信号。转换过程需经历两个断续过程。
1、时间断续
对连续的模拟信号x(t)，按照一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值，这个过程称为采样。连续的模拟信号x(t)经采样后转换为时间上离散的模拟信号 xs(nTs)， 其幅值仍是模拟信号，称为采样信号。相当于用时间刀切割原信号的结果。

2、数值断续
把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化，相当于拿数值尺度量，采样信号xs(nTs)经过量化后变换为量化信号xq(nTs)，再经过编码，转换为离散的数字信号 x(n)，成为时间和幅值离散化的信号，简称为数字信号。下图是信号的转换过程。

l 可能因采样点过多，导致占用大量的计算机内存，影响处理速度，严重时将因内存不够而无法工作。
l 可能因采样点太少，采样点之间的距离太大，引起原始数据值失真，不能原样再现原来连续变化的模拟量 x(t)，从而造成误差。
这个原则就是所谓的香农采样定理。以下先介绍采样过程。
一、采样过程
在时间和幅值上连续的模拟量 x(t)， 通过一个周期性开闭（周期为Ts，闭合时间为τ）的采样开关K后，输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs)，该过程称为采样过程。

采样开关输入信号与输出信号的关系为：

因为τ <<Ts，可假设采样脉冲为理想脉冲， x(t)在脉冲出现瞬间 nTs 取值为x(nTs)，上式可改写为：

时间为负值无意义，上式又可写成：
二、采样定理
采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量：
l Ts太小， 采样信号xs(nTs)数量剧增，占用大量的内存；
l Ts太小，会丢失某些信息，信号复原会失真，影响精度。
1、采样定理
设连续信号x(t)，其频谱为X(f)，以采样周期Ts的采样信号为xs(nTs)。如果频谱和采样周期满足：
（1）频谱X(f) 为有限频谱，即当| f |≥ fc时， X(f)=0
（2）Ts≤ 或 2fc≤ ，则连续信号

唯一确定， fc为连续信号最高频率

结论：对一个具有有限频谱X(f)的连续信号x(t)进行采样，当采样频率 fs≥2fc 时，由采样后得到的采样信号 xs(nTs) 能无失真地恢复为原来信号x(t)。
2、采样定理中两个条件的物理意义
条件1物理意义：连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，信号频率 f 在 0≤ f＜ f c 之间。

条件2物理意义：采样周期不能大于信号周期 Tc的一半。

3、采样定理不使用的情况 （◎▲◎）
假设连续信号为
0≤φ≤2π
其采样值为

当 时，则有

4、频混的产生与消除
l 频混的产生
当Ts 取值过大，在 时，将会发生x(t)中高频成分（ ）叠加到低频成分（ ）上去的现象，即频混。
为了解释频混，先看一个例子。某一连续信号 x(t)中含有频率为900Hz、400Hz、100Hz的成分，并以fs=500Hz进行采样。此时：
fs ＞ 2×100、 fs ＜ 2×400、 fs ＜ 2×500
理论分析会产生频混现象，实际情况如何？

l 消除频混
为了减少频混，通常可以采用两种方法：
1）对频率衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法解决
按照采样定理，采样频率fs>2fc，提高采样频率也就是减小采样周期Ts ；但 Ts 也不能过小，Ts 过小，增加内存占用量、增加计算量、也会使频域的频率分辨率下降过多。
2）对于频率衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决
在采样前，用截止频率为fc的消除频混滤波器，将信号x(t)进行低通滤波，将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理。这种方法既经济又简单。
三、采样技术（◎▲◎）
数据采集需遵守采样定理。在高速目标测量或长时间测量的数据采集中，将产生大量数据，需要很大存储空间，为此必须采用技术手段来适应存储的需要。本节介绍雷达测速四种采样技术。
1、常规采样
常规采样就是前面介绍的采样技术，采样连续进行，采样频率由采样定理决定。设雷达天线回波中，目标的多普勒信号的最高频率 f dmax，若采样频率为 fs，则
fs = K · f dmax (K>2)
雷达数据采集和处理分开进行，数据需要存储，存储容量S为

模拟信号频率越高，测量时间越长，需要的存储容量越大。

2、间歇采样
间歇采样过程如下图所示。只要合理调整采样时间段tSi与间歇时间段tGi的比例关系，就能记录下所有的采样数据。

设各采样时间间隔相等，tS1 = tS2 = … ，各间歇时间段也相等，
tG1 = tG2 = …，间歇时间与采样时间之比α = tGi / tSi ，采样时间为 t，所需的数据存储容量为

间歇采样，少量信息丢失对速度检测精度不会产生直接影响。

4、下采样
有时目标的多普勒信号频率，在整个测量过程中变化不大，为带通信号，可作特殊处理。设信号xa(t)的频率范围为：

式中， 为带宽。
当 （k为奇整数）或 （k’为整数）时，可取采样周期 ，即 时，采样信号的频谱 不会发生混叠。
为了不失真地恢复信号，可通过一个理想的带通
滤波器，其频率特性为：
在进行数据处理时，称带通信号采样为下采样。
优点：下采样的采样频率低，具有测量精度高、数据量小的优点。
四、量化与量化误差
1、量化
来自传感器的连续模拟信号经过采样后，变成时间上离散的采样信号，但其幅值在采样时间τ 内仍是连续的，因此，采样信号仍然是模拟信号。
为了用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。这一过程称为量化过程，简称量化。

最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（Full Scale Range）与2n的比值，用q表示：
q = FSR / 2n
n为量化器的位数。
例2.1 当FSR=10V，n=8时，q=39.1mV；
当FSR=10V，n=12时，q=2.44mV；
当FSR=10V，n=16时，q=0.15mV。
由此可见，量化器位数n越多，量化单位q就越小。
把量化后的信号称为量化信号，把量化信号的数值用二进制代码来表示，称为编码。量化信号编码后转换为数字信号，完成量化和编码的器件是模数转换器（ADC）。

l 量化方法
人民币的最小单位是分，任何商品的价格都是分的整倍数。对于不到一分钱的部分，通常有2种处理办法：忽略不计或者四舍五入。类似地，A/D转换器也有两种量化方法。
1）只舍不入的量化
用量化单位均分幅值轴，信号小于量化单位的部分一律舍去。

量化信号用xq(nTs )表示。当0≤ xq(nTs )＜q时， xq(nTs )=0；
当q ≤ xq(nTs )＜2q时， xq(nTs )= q ；……；以此类推。

2）有舍有入的量化
采样信号小于q/2的部分舍去；采样信号大于q/2的部分计入。

量化信号用xq(nTs )表示。当-q/2≤ xq(nTs )＜q/2时， xq(nTs )=0；
当q/2≤ xq(nTs )＜3/2q时， xq(nTs )= q ；……；以此类推。可以看出，采样信号xq(nTs )偏置了q/2。

l 量化误差
由量化引起的误差称为量化误差，记为e ：
e = xs(nTs )- xq(nTs )
式中， xs(nTs )为采样信号； xq(nTs )为量化信号。
量化误差e的大小与所采用的量化方法有关，下面分别讨论。

2）有舍有入法的量化误差
有舍有入法的量化误差e有正有负，为 ~ 之间的任何值，而且机会均等。因而是在[ ， ]上均匀分布的随机变量。

3）量化误差对数据采集系统动态平滑性的影响
现在不考虑采样过程，研究模拟信号x(t)被量化后的情况。量化信号是阶梯状的。当量化单位q与模拟信号幅值足够小时，量化误差的影响可作为噪声考虑，称为量化噪声。
e = x(t) - xq(nTs )
量化噪声是跳跃状的，峰—峰值为q，随有用信号被送入计算机。

总结以上情况，可得出结论：
1）模拟信号经过量化后，产生了阶越状量化噪声；
2）量化噪声的峰—峰值等于q ；
3）量化噪声的变化频率取决于量化单位q和模拟信号x(t)的变
化情况，q 越大、 x(t) 变化越缓慢，噪声的频率也越低。

可采用低通滤波器虑除高频噪声，但是当A/D变换器的位数较少、量化单位 q 较大、模拟信号变化又很缓慢时，量化噪声不仅幅度大，而且频率低。低通滤波器难以抑制低频、大幅度噪声，严重影响系统输出的平稳性，若以此作为控制信号控制某对象，平滑性欠佳。
五、编码
模/数转换的最后阶段是编码。所谓编码就是把量化信号的电平用数字代码来表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码。
二进制编码由多个位组成。编码最左端的位称为最高有效位，用MSB表示；编码最右端的位称为最低有效位，用LSB表示。二进制编码就是用0和1组成的n为数码来代表量化电平。
在数据采集中，被采集的模拟信号存在着极性，例如单极性信号，电压从0V ~ 5V变化；而双极性信号，电压则从-5V ~ 5V变化。在应用时，可根据被采集信号的极性选择适当的编码方式。因前面课程已讲过编码原理和方法，不在本章继续讨论。
第九章作业（1）
1、数据采集的主要任务是什么？

2、数据处理的主要任务是什么？

思考题：数据采集系统的基本结构与主要功能。