数据采集与处理技术

计算机数据采集与处理技术1-8章课后习题答案马明建第三版第一章绪论1.1数据采集系统的任务：答：数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需数据。同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其总一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。（P15）1.2数据采集系统主要实现哪些基本功能?.答：数据采集系统主要实现以下９个方面的基本功能：数据采集；模拟信号处理；数字信号处理；开关信号处理；二次数据计算；屏幕显示；数据存储；打印输出；人机联系。（P15）1.3简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。答：数据采集系统的基本结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。微型计算机数据采集系统的特点是：系统结构简单，技术容易实现，满足中小规模数据采集要求；对环境要求不高；价格低廉，系统成本低；可座位集散型数据采集系统的一个基本组成部分；其相关模板和软件都比较齐全，容易构成西欧它能够，便于使用与维修。集散型数据采集系统的主要特点是：系统适应能力强；系统可靠性高；系统实时响应性好；对系统硬件要求不高；特别适合在恶劣环境下工作。（P16）1.4数据采集系统的软件功能模块是如何划分的？各部分都完成哪些功能？答：数据采集系统软件功能模块一般由以下部分组成：（1）模拟信号采集与处理程序。其主要功能是对模拟输入信号进行采集、标度变换、滤波处理以及二次数据计算，并将数据存入磁盘。（2）数字信号采集与处理程序。其功能是对数字输入信号进行采集及码制之间的转换。（3）脉冲信号处理程序。其功能是对输入的脉冲信号进行电平高低判断和计数。（4）开关信号处理程序。其功能是判断开关信号输入状态变化情况，若发生变化，则执行相应的处理程序。（5）运行参数设置程序。其功能是对数据采集系统的运行参数进行设置。（6）系统管理（主控）程序。其功能是将各个模块程序组织成一个程序系统，并管理和调用各个功能模块程序，其次是用来管理数据文件的存储和输出。（7）通信程序。其功能是设置数据传送的波特率（速率），上位机向数据采集站群发送机号，上位机接收和判断数据采集站发挥的机号，命令相应的数据采集站传送数据，上位机接受数据采集站传送来的数据。（P20）1.5模拟信号处理程序的主要任务是什么？答：模拟信号处理程序的主要任务是对模拟输入信号进行采集、标度变换、滤波处理以及二次数据计算，并将数据存入磁盘。（P20）1.6数据处理的类型有哪些？答：数据处理的类型一般按一下方式分类：按处理方式划分，数据处理可分为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。按处理的性质划分，数据处理可分为预处理和二次处理两种。（P21）1.7数据处理的主要任务是什么？答：数据处理的主要任务有以下几点：（1）对采集到的电信号做物理量解释（2）消除数据中的干扰信号（3）分析计算数据的内在特征（P22）第二章模拟信号的数字化处理2.1什么叫采样？（P24）采样频率如何确定？（P26）2.2试说明，为什么在实际采样中，不能完全满足采样定理一所规定的不失真条件？解：若模拟信号为当模拟信号的采样值为只有在时，xS(nTS)与x(t)的幅值才相同。但在工程上很难做到。（P29）2.3对某种模拟信号x(t)，采样时间间隔TS分别为4ms、8ms、16ms，试求出这种模拟信号的截止频率fC分别为多少？解：由采样定理CS2ff≥，有2CSff，则当TS=4ms时，fS=250Hz∴Hz1252250Cf当TS=8ms时，fS=125Hz∴Hz5.622125Cf当TS=16ms时，fS=62.5Hz∴Hz25.3125.62Cf2.4采样周期与哪些因素有关？如何选择采样周期？解：（1）采样周期与信号x(t)的截止频率fC有关。（2）根据采样定理CS21fT≤，确定采样周期。2.5什么叫做量化？答：量化是指把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一些列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。（P41）2.6对采样信号进行量化的最小数量单位是多少？它与FSR和量化器的位数n之间有何关系？答：最小数量单位是量化单位q，q=nFSR2。q与FSR成正比，与2n成反比。2.7绝对误差0LSB是否绝对无误差，其意义如何？绝对误差为1/8LSB，其意义如何？答：不是无误差，LSB表示数码的最右端的位即最低有效位；LSB=q=nFSR2，根据量化单位q的定义知：LSB代表n位二进制分数码所能分辨的最小模拟量。2.8什么叫做编码？答：编码是指把量化信号的电平用数字代码表示。（P47）2.9把十进制256转换成相应的BCD码。答：（256）=（1001010110）2.10用2的补码计算表达式“16-5”的值。答：16-5=16+(-5)=(10000)B+(11011)B=(01011)B(不考虑进位)第三章模拟多路开关3.1模拟多路开关的接通电阻RON比一般的电子开关更大还是更小？答：模拟多路开关的导通电阻一般比较大,理论数值为小于100欧姆。（而且该导通电阻随温度的变化而变化）。而电子开关（比如干簧管）的导通电阻比较小，其导通电阻趋向于０，可看作理想的开关。模拟开关是通过数字量来控制传输门（TG）的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用来代替继电器。它的缺点是导通电阻不够小（几十至几百欧），断开时仍有泄露电流（约0.1），且通过的电流一般为毫安级。3.2模拟多路开关输入端一般是几个端子？输出端为几个端子的通道选择器？答：模拟多路开关输入端一般是8个端子，输出端为1个端子的通道选择器。3.3某数据采集系统具有8个模拟通道，各通道输入信号频率可达5kHz,而且至少要用每个采样周期10个采样点的速度进行采样，问：（1）多路开关的切换速率应是多少？（2）可选用什么类型的多路开关？解：⑴∵fC=5kHz，采样频率)Hz(1011052243SCff采样周期)s(0001.0)s(1011011144SSfT每个采样点的采样周期)s(00001.0100001.010dSTT∴切换速率)kHz(100)Hz(10000000001.011dTv⑵∵由表3.5可知，CD4051的ton和toff都为0.8μs则CD4051开关的切换时间为1.6μs,开关的切换速率kHz625625000106.116∴多路开关选择CD4051。3.4某数据采集系统要求有20个模拟通道，信号电平范围为100mv，并要求开关的导通电阻不到1欧，各通道信号的频率为2.5kHz,要求每个采样周期至少采5个采样点，问：（1）开关的切换率应是多少？（2）采用什么样的多路开关式合适的？答：（1）fc=2.5Hz，fssTtsfTHzfSscSc04.05,2.01,52切换频率为251st（2）可选用CD4501的多路开关，将3片CD4501加以组合，用门电路组成地址译码器3个选址信号，分别接各片的禁止端，扩展通道数为24个，选用其中20个。第四章测量放大器4.1为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？答：在数据采集系统中，来自传感器的模拟信号通常很微弱，远小于一般运算放大器的输入失调电压和温漂电压。因此这些信号不能用一般运放进行放大，而必须用低温漂，低失调电压高稳定增益且抗共模干扰能力强的测量放大器进行放大。4.2设一数据采集系统有测量放大器，已知R1=R2=5kΩ，Rg=100kΩ，R4=10kΩ，R5=20kΩ，若R4和R5的精度为0.1%，试求次放大器的增益及CMRR.解：R3=R4=10000202100002000010050002121351RRRRkGCMRR=1.46305.220202log20log20incmvv4.3设AD521测量放大器的增益为100，试画出其接线原理图，算出外接电阻值的大小。解：∵当放大器的增益时∴当又∵RS=100±15%当RS=100+15%时，当RS=100-15%时，其接线原理图4.4试分析图4-2测量放大器输入级两运放的输入失调电压大小对测量放大器性能指标的影响。要提高测量放大器的性能，对其三个运放的性能有什么特殊要求？答：输入级A1A2的失调电压互相抵消，A1A2的特性不完全对称时其失调电压的参值。经过放大后被送往A3，要提高测量放大器的性能应尽量使A1A2的特性互相对称。4.5设计一个由8301单片机程控隔离放大器增益的接口电路。已知输入信号小于10mV，要求当输入信号小于1mV时，增益为1000，而输入信号每增加1mV时，其增益自动减至原来的1/2.第五章采样/保持器5.1采样/保持器在模拟信号频率很低时，是否有必要使用？在模拟信号频率很高时呢，为什么？答：输入信号频率很低时，由于在A/D转换过程中模拟信号的电压几乎不变，因而不必使用采样保持器。当模拟信号频率很高时，由于信号电平变化很快，必须使用采样保持器以稳定转换电平。5.2采样频率fs高时，保持电容应取大些还是小些？答：采样保持器的捕捉时间ACt受保持电容HC的影响，HC越大，ACt越长，当采样频率Sf很高时，必须使用较小的HC，以减少ACt，提高Sf。5.3采样/保持器是否具有放大功能？其放大值由什么决定？答：采样保持器具有放大功能，通常其放大倍数由相关外接电阻决定。5.4孔径时间APt影响A/D转换的什么参数答：孔径时间APt主要影响A/D转换的精度。5.5捕捉时间tAC影响A/D转换的什么参数答：捕捉时间主要影响A/D转换的采样速率。5.6设在某数据采集系统中，采样/保持器的孔径时间10APtns，A/D转换器的位数为12，求：（1）采样精度能达到12LSB的最高信号频率maxf是多少？（2）若采样/保持器的孔径不定1APtns，则最高信号频率maxf是多少？解：(1)max13.89()2napfkHzt(2)max113.70()12()2napapfkHztt5.7一个数据采集系统的孔径时间2APtns，试问一个10kHz信号在其变化率最大点被采样时所能达到的分辨率是多少？解：所以：相对分辨率则有n≈145.8设一数据采集系统的输入满量程电压为+10V，模拟输入信号的最高频率是1kHz，采样频率为10kHz，A／D转换器的转换时间为10s，采样／保持器的tAP=20ns，保持电压的下降率为100V/s，捕捉时间为50s。问：⑴如果允许的孔径误差和下降误差都是0.02%，所选的采样／保持器能否满足要求？⑵捕捉时间能否满足要求？解：(1)①由于采样/保持器孔径时间应满足max)(21dtdULSBtiAP②保持电压下降率应满足LSBtdtdUCONV21③输入信号的最大变化率为mUfdtdUimax则由③有33max104.311010114.3dtdUi（V）由②有CONVtdtdULSB2166101010%)02.0100100(（V）由①有1431110184.3104.311098.99APt510184.3(ns)APAPtt∴所选的采样／保持器不满足要求。(2)∵SCONVSTACTttt则sttCONVAC563310910101010110101而55109105ACt∴捕捉时间满足要求。5.9设一采样／保持器在保持阶段，保持电容CH的漏电流ID=10nA，保持时间为10ns。如果希望在保持时间内采样／保持器的输出电压下降小于0.1%，试选择合适的CH值。解：∵保持电压下降率为HCITUD∴由于1F＝106μF＝1012pF则CH0.1pF第六章模/