第三章-数据采集与处理技术.ppt

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1、第三章信号采集与信号调理技术3.5数据采集系统的设计数据采集系统概述信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线传感器任意类型信号连接直接连接或通过接线端DAQ设备PCI/PXIPCIe/PXIeUSBEthernetPCWindowsLinuxMac典型的数据采集系统硬件架构数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统部分常用的数据采集设备类型实验室、工业环境使用基于PCI/PXI接口往往需要外接端子和线缆便携式/远距离USB，Ethernet接口教学实验与学生练习如ELVIS、myDAQ除了数据采集硬件电路之外还集成了其他一些功能，如数字万用表、可编程

2、电源等举例:基于PXI平台的数据采集PXI控制器及机箱(可大致理解为PC)接线端（前面凸出部分）信号调理与数据采集（接线端后面）举例:用于教学实验的NIELVIS一种集成了12种仪器的教学实验设备安装NI-ELVIS驱动后可通过ELVIS软面板实现这些功能同时也可看做是一种基于USB总线的多功能数据采集设备用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术USB总线（注意:不是前面所说的传输电缆）接线端+传输线缆+数据采集设备PC数据采集系统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。图1.1数据采集系统硬件基本组成3.5.1数

3、据采集系统结构形式的确定常见的数据采集形式有以下几种：单通道数据采集系统多通道并行数据采集系统多通道同步型数据采样系统多通道共享采样/保持器与A/D转换器多通道数据采集系统的几种结构形式每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速数据采集。多通道A/D转换各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行A/D转换。能够实现多路信号的同步采集，但采集速度稍慢。单通道共享A/D转换器多通道数据采集系统的几种结构形式各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时，通过多路开关将各

4、路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现多路信号的分时采集，而非同步采集。并且采集速度最慢。优点是节省硬件成本，适于对采集速度要求不高的应用场合。多通道共享采样保持器与A/D转换器3.5.2系统参数设计和器件选择数据采集系统的主要技术指标：被采集信号的特点系统响应时间系统分辨率系统的精度数据采集系统的主要技术指标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）占系统满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（10V满

5、度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表1.1系统的分辨率（满度值为10V）数据采集系统的主要技术指标2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间

6、内所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。采集速率的倒数是采样周期。数据采集系统的主要技术指标4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬时

7、动态范围：数据采集系统的主要技术指标5.非线性失真（谐波失真）：给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）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示：A1为基波振幅，Ak为第k次谐波的振幅。多路模拟开关的选择要点选择多路模拟开关时，应充分考虑信号的特点及系统特性，尽量选择导通电阻小、漏电电流小、切换速度快的芯片，同时应注意要适当地限制通道数量，有必要时可以采用MUX的多路扩展方式。A/D转换器的选择要点采用A/D转换器的模拟信号采集是一个要求比较高的工作，需要考虑多方面的问

8、题。这里介绍需要重点注意