数据采集与处理-01.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数据采集与处理,*,数据采集与处理,自动化学院测试工程系,课程简介（,1,）,绪论,数据转换技术,隔离技术,信号变换电路,集成锁相环,数据采集系统,3/4/2026,2,数据采集与处理,课程简介（,2,）,采样数据的预处理,测试智能信息处理概述,人工神经网络与应用,数据融合与信息处理,3/4/2026,3,数据采集与处理,参考书,现代测控技术，吕辉主编，西安电子科技大学出版社，,2006,现代测试技术，汉泽西，机械工业出版社，,2006,检测仪器电子电路,3/4/2026,4,数据采集与处理,参考书,测试电路与系统，清华大学,王雪编著,测试智能信息处理,.,北京,:,中国纺织出版社,.,北京,:,清华大学出版社,康耀红著,.,数据融合理论与应用,.,西安,:,西安电子科技大学出版社,滕召胜，罗隆福，童调生编著,.,智能检测系统与数据融合,.,北京,:,机械工业出版社,3/4/2026,5,数据采集与处理,课程安排,课程约用,9,周左右时间，其中包括自习和若干大作业；,3/4/2026,6,数据采集与处理,第一章 绪论,1.1,概述,数据采集,(Data Acquisition,，,DAQ),主要研究的是信号的采集、调理、存贮、处理以及控制等问题，它是获取信息的重要手段。数据采集已广泛应用于航空航天、工业自动控制、冶金、石油、化工、煤炭、通信、交通运输等各行各业。,3/4/2026,7,数据采集与处理,第一章 绪论,随着科学技术水平的发展，一方面对数据采集提出了越来越高的要求，更高的精度、更快的速度、更有效的处理方法、更强大的存贮能力等等。另一方面，科学技术的发展也促进了数据采集技术的不断提高，为这门技术不断地增添着发展的动力和活力。,3/4/2026,8,数据采集与处理,现代数据采集技术和计算机系统是密切相连的。计算机技术、微电子技术的发展对数据采集和处理技术的发展起了巨大的推动作用。,现代测试领域的智能机电一体化系统、智能仪器、智能仪表、虚拟仪器、虚拟仪表以及虚拟测试等等无一不是和计算机系统结合的成果。,3/4/2026,9,数据采集与处理,现代测试系统发展特点,基于计算机的测试系统，通过总线、模块和一定的协议构成测试或测控系统；,测试系统趋向于网络化。能够适应多种用途，变化灵活，虚拟仪器等，使得现代测控系统有了一个很大的飞跃。,3/4/2026,10,数据采集与处理,现代测试系统发展特点,当然现代测控系统的工作仍然需要一些传统的硬件电路与之相配套，因此系统在组成上仍然有一些经典的东西：传感器、信号调理电路、,ADC,及,DAC,转换器，再往后是信号处理，等等。不过这中间还可能有各种总线。,3/4/2026,11,数据采集与处理,数据采集系统组成框图,预采样,滤波器,采样器,ADC,转换,数字信号,处理器,DAC,转换,滤波器,模拟信号输入,模拟信号,输 出,3/4/2026,12,数据采集与处理,遥测数据采集系统,数据,采集,编码器,调制器,解调器,模拟信号输入,译码器,数据处理,输出显示,3/4/2026,13,数据采集与处理,网络化数据采集系统,3/4/2026,14,数据采集与处理,模拟输入信号,(Analog input signal),，即在时间上与幅值上连续变化的信号，首先经过一个,预采样滤波器,，然后采样器每隔一个采样时间读出一次数据，再由模数转换器,ADC,量化为二进制数码，成为计算机可以接受的数字信号,(Digital Signal),。3/4/2026,15,数据采集与处理,模拟输入信号的采样脉冲,(Sampling Impulse),应做的很窄，以便在采样脉冲空余时间可以进行多路复用。,在计算机内进行数字信号处理,(Digital Signal Processing),后，再利用数,/,模转换器,DAC,，将数字信号转换成模拟信号。在这个转换过程中，二进制数码首先转换成为连续的时间脉冲，脉冲之间的空隙再经过,“,再建平滑滤波器,”,来填充平滑以恢复为模拟信号,(Recovery of Analog Signal),。,3/4/2026,16,数据采集与处理,3/4/2026,17,数据采集与处理,二进制位数,LSB,占满量程的比值,百分比,ppm,值,6,64,1.5625,15625.0,0.015625,7,128,0.78125,7812.5,0.0078125,8,256,0.390625,3906.25,0.00390625,9,512,0.195313,1953.13,0.00195313,10,1024,0.097656,976.56,0.00097656,11,2048,0.048828,488.28,0.00048828,12,4096,0.024414,244.14,0.00024414,13,8192,0.012207,122.07,0.00012207,二进制比特数与相应分辨率,3/4/2026,18,数据采集与处理,1.2,采样频率的选取,采样定理,(Sampling theorem),已经指出，,如果信号本身的频带是有限的,，而采样频率又大于等于两倍信号所包含的最高频率，则在理论上是可以根据其离散采样值,完全恢复出原始信号,。这相当于在信号最高频率时，每一周期至少提取两个采样值。,3/4/2026,19,数据采集与处理,实际上，为保证信号质量，选用的采样频率经常大于采样定理所指出的最小的采样频率，而选用信号最高频率的,3,倍到,4,倍,。工程上有时取到,10,倍,。例如当模拟信号的最高频率为,5kHz,，理论上的最小采样频率应为每秒内取,1,万个采样值，而实际数据采集系统考虑到硬件的一些限制还要选得更高一些。,3/4/2026,20,数据采集与处理,通常我们称采样频率的一半为,奈奎斯特频率,。实质上，它是信号频带宽度所对应的数字，即由,采样所决定的最高频率分量,。,3/4/2026,21,数据采集与处理,f,s,f,s,/2,奈奎斯特频率,奈奎斯特频率,3/4/2026,22,数据采集与处理,如果采样频率不够高，将会产生“,混叠,”（,Alias,）现象。例如，如果对包括从直流到,5kHz,的输入信号按,6kHz,的采样频率采样，显然采样频率太低，不足以保证信号的恢复。如果试图恢复原来的信号，则原信号,5kHz,的频率分量将变为,1kHz,的信号，而成为一个误差信号。,3/4/2026,23,数据采集与处理,信号频率,5KHz,采样频率,6KHz,3/4/2026,24,数据采集与处理,“混叠”（,Alias,）现象一般表现为信号频率和采样频率之间的差频（差拍）所引起的伪信号。,3/4/2026,25,数据采集与处理,一般的说，当按某频率对一个信号（或信号带）进行采样时，会在重建的波形中出现,“,和频,”,及,“,差频,”两种,分量。,“,和频,”在所关心的频带外，很容易将它滤掉。“,差频,”也要设法滤掉，即不让它们落在我们所关心的频带之内。,3/4/2026,26,数据采集与处理,计算混频偏差公式,：,混频偏差,|,采样频率的最近整数倍输入频率3/4/2026,27,数据采集与处理,假设采样频率,f,s,是,100Hz,，信号中含有,25,、,70,、,160,、和,510 Hz,的成分。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（,f,s,/2=50 Hz,）的信号可以被正确采样。而频率高于,50Hz,的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了,30,、,40,和,10 Hz,的畸变频率,F2,、,F3,和,F4,。,3/4/2026,28,数据采集与处理,混频偏差,F2=|100 70|=30 Hz,混频偏差,F3=|2,100 160|=40 Hz,混频偏差,F4=|5,100 510|=10 Hz,为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（,A/D,）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。,3/4/2026,29,数据采集与处理,低通,滤波器,A/D,转换器,模拟,信号,3/4/2026,30,数据采集与处理,3/4/2026,31,数据采集与处理,1.3,采样方式的讨论,有两种基本的数字化采样方式可供选择：“实时采样”,(Real-time Sampling),与“等效时间采样”,(Equivalent-time Sampling),。显然“实时采样”最为直观。当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化，然后，经过一个采样间隔，再采入第二个样本,。,3/4/2026,32,数据采集与处理,这样一直将整个信号波形数字化后存入波形存贮器。实时采样的主要优点在于信号波形一到就采入，因此适用于任何形式的信号波形，重复的或不重复的。又由于所有采样点是按时间顺序，因而易于实现波形显示功能。,3/4/2026,33,数据采集与处理,3/4/2026,34,数据采集与处理,“,实时采样,”的主要缺点是速度分辨率较差。每个采样点的采入、量化、存贮，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间分辨率要求很高，比如采样间隔要为几百或几十,ns,，那么每个采样点的数字化工作就可能来不及做了。,3/4/2026,35,数据采集与处理,在数据采集中，,“,实时采样,”,除了通常使用的,“,定时采样,”,(,即,“,等间隔采样,”,),外，还可使用,“,变步长采样,”,，即,“,等点采样,”,这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期内均匀采样的点数总共为,N,个。由于采样信号周期随被测信号周期变化，故通常称为,“,变步长采样,”,。,3/4/2026,36,数据采集与处理,“,变步长采样,”,既能满足仪器精度的要求，又能合理地使用仪器计算机内存单元，还能使增强仪器功能所要求的数据处理软件的设计大为简化。,“,实时采样,”,的特例为,“,扫描转换技术,”,，又称为闪光转换。扫描转换以快速采样的办法采集信号波形，然后用一段时间成批地处理所有样本的转换。显然，这不是一种连续进行的数字化技术。,3/4/2026,37,数据采集与处理,“,等效时间采样,”技术可以实现很高的数字化转换速率。然而，这种技术要求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用（相对于信号）较慢速度进行。采样的样本可以是时序的（步进、步退、差频），也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形，一般也常将“,等效时间采样,”称为“,变换采样,”。,3/4/2026,38,数据采集与处理,3/4/2026,39,数据采集与处理,采样方式的分类,3/4/2026,40,数据采集与处理,1.4,量化过程与量化噪音,数据采集系统应具有把模拟信号转变为数字信号的功能。所谓数字信号，是指在时间上和幅值上经过采样和量化的信号。数字信号可以用一序列的数来表示，而每一个数又可以由,有限个数码,来表示。,3/4/2026,41,数据采集与处理,3/4/2026,42,数据采集与处理,量化电平（,Quantized Level,）定义为满量程电压（或称满度信号值）,FSR,（,Full Scale Range,）与,2,的,N,次幂的比值，其中,N,为数字信号,x,d,的二进制位数,(Number of bits),。量化电平一般用,q,来表示，因此有：,3/4/2026,43,数据采集与处理,例如：当,FSR,为,10V,，,N,等于,8,时，量化电平,q,等于,392mV,；当,FSR,为,10V,，,N,等于,16,时，量化电平则等于,0.15mV,。,q,实际上也是转换器能够分辨的最小电压，常用,LSB(Least,Significant Bit),表示。,3/4/2026,44,数据采集与处理,3/4/2026,45,数据采集与处理,3/4/2026,46,数据采集与处理,量化误差是随机量，在区域,-,qe,0,或区域,-q/2,e,q/2,中均匀分布。如果码位选得足够多，则量化误差可做得很小。在实际量化时，码位扩展是有限度的，因此必然有一定的误差，即量化过程必然要引入这种不定因素。这种不定因素的引入所带来的误差，通常称为量化噪声（,Quantization Noise),。峰值量化噪声（量化噪声的最大值）分别为,q,与,q/2,。,3/4/2026,47,数据采集与处理,3/4/2026,48,数据采集与处理,使用期望值公式,可以计算量化噪声,e,的均值：,其中,p(x,),为函数,f,(x,),的概率密度。,或,3/4/2026,49,数据采集与处理,由此可获得量化噪声的平均值：,或：,3/4/2026,50,数据采集与处理,在很多情况下，量化噪声的方差要比峰值更为重要，因为方差是与噪声的平均功率成正比的。,这表明：即便模拟信号,x,a,为无噪声信号，经过数据采集器量化后，数字信号,x,d,将包含噪声,q,2,/12,。量化噪声的均方根值（或称为标准差）等于：,3/4/2026,51,数据采集与处理,几点说明,量化误差是客观存在的，是原理误差；,量化误差是选取量化器的依据；,实际采样器不仅只有量化误差,因此实际采样器的误差大于量化误差；,3/4/2026,52,数据采集与处理,1.5,孔径时间,在数据采集器中，如果直接用模数转换器对模拟信号进行转换，还要考虑到任何一种模数转换器都需要有一小段时间来完成量化及编码等操作。模数转换器的转换时间取决于转换的位数、转换的方法、采用的器件等因素。如果在转换时间,T,CONV,内信号仍然在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差。,3/4/2026,53,数据采集与处理,考虑对正弦波信号采样：,在转换时间,T,CONV,内，信号电压变化的最大值发生在正弦信号过零时：,3/4/2026,54,数据采集与处理,而在转换时间,T,CONV,内最大可能的电压变化：,如果,V,FS,=2V,m,，由此可以得出：,其中,f,为输入的正弦信号频率,3/4/2026,55,数据采集与处理,如果允许误差电压,V=1LSB,，那么数字化的最大正弦信号频率可用下式计算：,其中,N,为模数转换器,A/D,的分辨率位数,3/4/2026,56,数据采集与处理,如果在数据采集器的模数转换器,A/D,前再加一个采样保持放大器,SHA,（它的任务是把要转换的信号快速采样后保持一段时间，以备转换用），这相当于在,A/D,转换时间内开了一个窄,“窗孔”,。,3/4/2026,57,数据采集与处理,将窗孔开启时间内的模拟信号以量化形式记录下来。此窗孔称为,“孔径时间”,T,a,T,a,一般远小于转换时间,T,CONV,。显然，如果在孔径时间,T,a,内，输入模拟信号仍在变化时进行量化，会引入一定的误差，称其为,“,孔径误差,”,。,3/4/2026,58,数据采集与处理,3/4/2026,59,数据采集与处理,考虑对输入正弦信号采样，那么对,N,位,ADC,，并采用,SHA,的数据采集器，则数字化的最大正弦信号频率为：,3/4/2026,60,数据采集与处理,信号频率越高，转换器的位数越高，“孔径时间,”,越短,3/4/2026,61,数据采集与处理,如用,10,位分辨率的,ADC,去量化,1kHz,的正弦波，可计算出所需孔径时间为,160nS,，可根据给定的正弦信号频率与,ADC,的分辨率确定要求的孔径时间。,3/4/2026,62,数据采集与处理,在,ADC,的前面加上采样保持器,SHA,，那么只要,SHA,的采样时间小于,160nS,，那么只要保持时间大于,ADC,的转换时间，就可以对更高频率的信号进行采样。,3/4/2026,63,数据采集与处理,可见数据采集时在模拟转换器,ADC,前使用采样保持放大器,SHA,，就解决了,ADC,转换时间较长与分辨率要求较短的孔径时间的矛盾，其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。,SHA,先完成模拟信号的离散化，,ADC,接着进行离散信号的量化，最终获得所需要的数字信号。,3/4/2026,64,数据采集与处理,1.6,模数转换器的精度与特性,模数转换器,ADC,的位数（也就是其二进制代码的个数）代表了,ADC,变换器的动态范围（,Dynamic Range,）。一定的位数则有一定的量化精度。,3/4/2026,65,数据采集与处理,位数,比例单位,峰值信号与峰值噪声,(q/2),之比,倍,dB,6,63,126,42,7,127,254,48,8,255,510,54,9,511,1022,60,10,1023,2046,66,11,2047,4094,72,12,4095,8190,78,13,8191,16382,84,14,16383,32766,90,15,32767,65534,96,16,65535,131070,102,3/4/2026,66,数据采集与处理,位数,比例单位,峰值信号与均方根峰值,噪声之比,倍,dB,6,63,218,47,7,127,440,53,8,255,883,59,9,511,1770,65,10,1023,3543,71,11,2047,7090,77,12,4095,14184,83,13,8191,28372,89,14,16383,56747,95,15,32767,113498,101,16,65535,227000,107,3/4/2026,67,数据采集与处理,注意,:,大信号时量化误差的相对值小，小信号时量化误差的相对值大。当输入信号不是满量程时，量化误差会相对加大。如：输入只有满量程的,1/10,时，量化误差相应扩大,10,倍。以,8,位模数转换器为例，这时峰值信号与均方根误差之比从,883,倍变成,88.3,倍，相应分贝从,59dB,变成,39dB,。一般使用时要求的输入信号动态范围必须与模数转换器相适应。,3/4/2026,68,数据采集与处理,从提高精度的角度出发，模数转换器的位数与采样频率之间是相互制约的。,随着模数转换器的位数的增加信噪比,S/N,不断提高。选择高分辨率的模数转换器，可以将量化噪声减小到可以允许的程度。,模数转换器位数的提高，将会影响采样频率的提高，而且器件的工艺复杂、成本增加。,3/4/2026,69,数据采集与处理,1.7,编 码,数据转换器有的是单极性工作的，其工作范围由,0,VFS,（满量程电压），或者,0,VFS,。在单极性二进制（,Uninolar,Binarr,）编码中常采用的有直接二进制,(Straight Binary),编码和互补二进制（,Complementary Binary,）编码。,3/4/2026,70,数据采集与处理,标度,+10V,满量程,直接二进制编码,互补二进制编码FS-1LSB,+9.96,11111111,00000000,(+3/4)FS,+7.50,11000000,00111111,(+1/2)FS,+5.00,10000000,01111111,(+1/4)FS,+2.50,01000000,10111111,(+1/8)FS,+1.25,00100000,11011111,+1LFS,+0.04,00000001,11111110,0,0.00,00000000,11111111,3/4/2026,71,数据采集与处理,二进制编码，有如下公式：,其中,d,n,=1,或,0,3/4/2026,72,数据采集与处理,式中,Vout,是对应于d,1,d,2,d,N-1,d,N,的转换器输出。这里,d,1,是最高有效位,MSB(Most,Significant Bit),，,d,N,是最低有效位,LSB(Least,Significant Bit),。可以看出，如果,N=,，且,dn,=1(n=1,2,N),，则,Vout,=V,FS,。,3/4/2026,73,数据采集与处理,对于一个有限的位数,N,，最大的输出电压,Vmax,=,总比,V,FS,小，由下式确定：,例如，对于一个工作电压是,0,+10V,的,12,位单极性转换器而言：,Vmax,=111,111,111,111,=+9.9976V,Vmin,=000,000,000,000,=+0.0000V,3/4/2026,74,数据采集与处理,通过引入适当的偏置，数据转换器可以在双极性方式下工作，双极性转换器可以应用多种二进制编码格式：,偏移二进制码,(Offset Binary),反码,(Ones Complement),补码,(Twos Complement),符号数值,3/4/2026,75,数据采集与处理,偏移二进制码,(Offset Binary),3/4/2026,76,数据采集与处理,对于一个满度电压是,-10,+10V,的,12,位偏移二进制转换器而言：,Vmax,（正）,=111,111,111,111,=+9.9951V,V,（中值）,=100 000,000,000,=+0.0000V,Vmax,（负）,=000,000,000,000,=-10.0000V,3/4/2026,77,数据采集与处理,反码编码,(Ones Complement),3/4/2026,78,数据采集与处理,对于一个满度电压是,-10,+10V,的,12,位反码转换器而言：,Vmax,（正）,=011 111,111,111,=+9.9951V,V,（中值）,=000,000,000,000,=+0.0000V,或,V,（中值）,=111,111,111,111,=-0.0000V,Vmax,（负）,=100 000,000,000,=-9.9951V3/4/2026,79,数据采集与处理,2,的补码,(Twos Complement),2,的补码编码便于进行整数算术运算的处理机使用，其负数输出由反码加,1,获得,(,使用二进制加法,),。其表达式如下：,3/4/2026,80,数据采集与处理,2,的补码编码对应零只有一个代码，并可获得,-VFS,输出。对于一个满度电压是,-10,+10V,的,12,位,2,的补码编码转换器而言：,Vmax,（正）,=011 111,111,111,=+9.9951V,V,（中值）,=000,000,000,000,=+0.0000V,Vmax,（负）,=100 000,000,000,=-10.0000V,3/4/2026,81,数据采集与处理,BCD,编码,还有一种常用的二进制编码是,BCD,编码。它是将二进制输入数据每,4,位编为一组，每组表示一个从,0,9,的十进制数字。一个,8,位转换器可表示的十进制输入范围从,0,99,。一个,12,位转换器的输入范围从,0,999,。这种编码损失了部分分辨率。,3/4/2026,82,数据采集与处理,