最新数据采集技术2 数据采集的理论基础教学讲义PPT课件.ppt

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1、数据采集技术2数据采集的理论基础2.1概述在数据采集系统中存在两种信号：①模拟信号—②数字信号—信号种类在开发数据采集系统时，首先遇到的问题：如何把传感器测量到的模拟信号转换成数字信号？被采集物理量的电信号。计算机运算、处理的信息。2.1概述连续模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：①时间断续—离散化②数值断续过程量化编码信号转换过程如图2.1所示。应该指出，在实际应用中，τ<

2、些信息。因此，采样周期必须依据某个定理来选择。2.2采样过程不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差。1.采样定理设有连续信号x(t)，其频谱X(f)，以采样周期TS采得的信号为xs(nTs)。如果频谱和采样周期满足下列条件：①频谱X(f)为有限频谱，即当时

3、f

4、≥fc，X(f)=0②TS≤2.3采样定理2.3采样定理则连续信号唯一确定。式中n=０，±１，±２，……，fc—信号的截止频率采样定理指出：对一个频率在0～fc内的连续信号进行采样，当采样频率为fs≥2fc时，由采样信号xs(nTs)能无

5、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⑴条件1的物理意义模拟信号x(t)的频率范围是有限的，只包含低于fc的频率部分。2.3采样定理⑵条件2的物理意义采样周期Ts不能大于信号截止周期Tc的一半。2.3采样定理3.采样定理不适用的情况一般来说，采样定理在时是不适用的。例如，设信号当时，其采样值为2.3采样定理则有讨论：当φ=0，xs(nTs)=0，即采样值为零，无法恢复原来的模拟信号x(t)。2.3采样定理xS(nTS)=Asin(πn+φ)=A(sinπncosφ+cos

6、πnsinφ)=Acosπnsinφ=A(-1)nsinφ当0<

7、sinφ

8、<1时，xs(nTs)的幅值均小于原模拟信号，出现失真。当

9、sinφ

10、=1时，xs(nTs)=(-1)nA，它与原信号x(t)的幅值相同，但必须保证φ=π/2。综上所述，只有在采样起始点严格地控制在φ=π/2时，才能由采样信号xs(nTs)不失真地恢复出原模拟信号x(t)，然而这是难以做到的。结论：采样定理对于不适用的。2.3采样定理1.频率混淆什么是频率混淆？频率混淆—模拟信号中的高频成分（）被叠加到低频成分（）上的现

11、象。2.4频率混淆及消除措施2.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆如图2.5所示。例如：某模拟信号中含有频率为900Hz，400Hz及100Hz的成分。若以fs=500Hz进行采样，此时Hz，Hz但Hz。由图2.5可见，三种频率的曲线没有区别：对于100Hz的信号，采样后的信号波形能真实反映原信号。2.4频率混淆与消除频混的措施对于400Hz和900Hz的信号，则采样后完全失真了，也变成了100Hz的信号。于是原来三种不同频率信号的采样值相互混淆了。不产生频率混淆现象的临界条件：fS=2fC2.

12、消除频混为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：对于频域衰减较快的信号，减小TS。但是，TS↓，内存占用量和计算量↑。2.4频率混淆与消除频混的措施对频域衰减较慢的信号，可在采样前，先用一截止频率为fC的滤波器对信号x(t)低通滤波，滤除高频成分，然后再进行采样。这种方法既实用又简单。实际上，由于信号频率都不是严格有限的，而且，实际使用的滤波器也都不具有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止频率的频率分量衰减掉。2.4频率混淆与消除频混的措施在信号分析中，常把上述两种方法联合

13、起来使用。表2.1典型物理量的经验采样周期值被测物理量采样周期(s)流量1～22.4频率混淆与消除频混的措施压力液位温度成分3～56～810～1515～201.模拟信号的采样控制方式⑴无条件采样特点：运行采样程序，立即采集数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。优点：为无约束采样。2.5模拟信号的采样控制方式2.5模拟信号的采样控制方式缺点：不管信号是否准备好都采样，可能容易出错。①定时采样：②变步长采样：方法采样周期不变采样周期变化⑵条件采样方法①查询方式②中断方式查询方式：

14、CPU不断检查A／D转换状态，以确定程序执行流程。优点：硬件少，编程简单。缺点：占用较多CPU机时。中断方式：响应中断，暂停主程序，执行中断服务程序。优点：少占用CPU机时。缺点：要求硬件多，编程复杂。2.5模拟信号的采样控制方式⑶直接存储器存取（DMA）方式特点：由硬件完成数据的传送操作。在DMA控制器控制下，数据直接在外部设备和存储器MEM之间进行传送，而不通过CPU和I／O，因而可大大提高数据的采集速率。2.5模拟信号的采样控制方式外设I／OCPU内存DMA控制器图2-10DMA传送方式采