数据采集概念(长安大学)

BasicsofDataAcquisition数据采集基础第六周，2学时数字信号处理概述1、数字信号处理的主要研究内容数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号，并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4))(1iXNE2、测试信号数字化处理的基本步骤物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号计算机显示D/A转换电信号控制物理信号数字信号处理基础汽车试验学，从测量的角度讲，实质上是现代测量技术的一个分支，是现代测量技术在车辆上的具体应用。随着计算机科学的飞速发展，传统的模拟信号采集与分析技术已被数字处理技术全面取代。在现代汽车试验中，我们将不会再看到当年流行的日本TEAC模拟磁带机，或B&K的笔式记录仪。取而代之的是方便、快捷、多功能、多参数同步测量的，基于计算机技术的数字化信号采集与处理系统。因此，了解模拟信号和数字信号的特点，掌握数字信号的获取方法是深刻理解现代汽车试验测量系统的关键。数字信号处理基础信号的概念和分类信号信号的特征信号的分类一般地，“信号”是“信息”的载体，是信息的表现形式。数据采集系统的基本组成Typicaldataacquisitionapplications数据采集典型应用•Physiologicalstudies（生理学研究）•Environmentalstudies(temperature,etc.)（环境研究）•Materialstesting（材料试验）•Medicalresearch（医学研究）•Qualitycontrolandtesting（质量控制与试验）Typicaldataacquisitionapplications数据采集典型应用•Strain,pressure,temperatureandvibrationanalysis（应力、压力、温度、振动分析）•Fluidanalysis（流体分析）•Manufacturingautomation（制造自动化）Whatisanalog?何谓模拟量Whatisdigital?何谓数字量Whatisdataacquisition?何谓数据采集Componentsofadataacquisitionsystems数据采集系统的组成AnalogtoDigitalConversion(A/D)模数转换器•作用A/D转换器的技术指标•(3)•(1)•(2)DigitaltoAnalogConversion(D/A)数模转换器•作用DigitalInput/Output(DIO)数字输入/输出PacerClock同步时钟A/DInterface模数转换接口FullScaleRange(FSR)满量程A/D变换器由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有两个过程：抽样和保持。抽样：每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，此信号称为离散信号。它只表示时间点0，T,2T…,nT,…上的值xa(0),xa(T),xa(2T)…,xa(nT)…..。保持：在保持电路中将抽样信号变换成数字信号，因为一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有一定限制的。经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。例子•如4位码，只能表示24=16种不同的信号幅度，这些幅度称为量化电平。•当离散时间信号幅度与量化电平不相同时，就要以最接近的一个量化电平来近似它。•所以经过A/D变换器后，不但时间离散化了，而且幅度也量化了，产生一个二进制流。t0xa(t)0x(n)的二进制数0011011000110110011100101100100110010010抽样量化nx(n)n数字信号处理器(DSP)作用A/DConverterFunctionsA/D变换器功能•Inputandoutput(I/O)（输入/输出）–Analoginputisconvertedintoadigitalnumber,bycomparingthevoltagewithitspositionwithintheFullScaleRange（将模拟信号以一个数字表示并与满量程电压中其相应位置的电压值进行比较）–Withann-bitA/Dconverterthenumberofoutputlevelsequals2n–e.g.12-bitconverter=212=4096（对于n位模数转换器，输出电平等于2nRange量程（测量范围）•RangeisaninputspanforanA/DandD/Asystem（量程：A/D和D/A系统的输入范围）•Typicalrangesarebasedonavailablesensors（典型地，取决于传感器）–Uni-polar(positive)（单极性）0to5volts0to10volts–Bipolar（双极性）-5to+5volts-10to+10voltsFullscalerangeexamples例子+10v0v+10v+1.25v-10v-1.25vFSR=10vFSR=20vFSR=2.5vInput/Output输入/输出AnalogDigital(101110010011)Resolution分辨率•Resolutiondeterminesthesmallestchangethatcanbedetected•分辨率决定了能够检测到的最小变化量•Specifiedinbits.Determinesnumberofoutputlevels,orsteps–8bits=256steps–10bits=1024steps–12bits=4096steps–16bits=65,536stepsTypicalResolutions应用领域•8-bit–commonforimagecapture•图像捕捉•10-bit–generalanalogacquisition•通用模拟量采集•12-bit–generalanalogacquisition•16-bit–precisionanalogacquisition•精密模拟量采集•24-bit–high-accuracyanalogacquisition•高精度模拟量采集OutputLevels/ResolutionExample例子1-bitA/DConverter10+10v0vOutputLevels/ResolutionExample2-bitA/DConverter1100+10v0v1001OutputLevels/ResolutionExample4-bitA/DConverter+10v0v1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000OutputLevels/ResolutionExample12-bitA/DConverter111111111111000000000000+10v0v4096OutputLevelsOutputLevels/ResolutionExample16-bitA/DConverter111111111111000000000000+10v0v65,536OutputLevels6.3采样定理采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。X(0),X(1),X(2),……,X(n)每周期应该有多少采样点？最少2点:数采理论频率迭混频率迭混的频域解释数采理论时域信号的乘积等于频域信号的卷积采样率大于信号最高频率两倍时无迭混现象数采理论频率迭混的频域解释时域信号的乘积等于频域信号的卷积采样率小于信号最高频率两倍时出现迭混现象数采理论采样定理海森伯格测不准原理数采系统的典型工作方式1.顺序采样，复用A/D变换2.同时采样，复用AD变换3.各通道独立抽样A/D变换4.过采样变换应用示例•在实际的数据采集系统中，大多数采用上述两种方法的结合。•以IOTech的WaveBook512为例，它的正常配置为顺序抽样，而且以１微秒固定时间间隔，对每个通道进行采样.对一个8通道的系统而言，第一个通道抽样信号和第八个通道抽样信号之间的时差达到8微秒。若用户的测试信号通道之间存在时间相关性，则可另选８通道同时抽样／保持卡,从而使通道间信号差减少为80ns，性能比较•过采样AD变换与传统的AD变换相比，由于每个通道均采用独立的过采样AD变换，使得A/D变换器的成本大大增加，但是从整个系统的成本而言，采用过采样AD变换，却可以大大降低对抗混迭滤波器的要求LSB•LSBstandsfor“leastsignificantbit”•最小有效位•AnLSBrepresentsthesmallestchangethatcanberesolvedbytheA/Dconverter•代表了AD所能分辨的最小变化量•LSB=FullScaleRange(FSR)÷2nWhataffectsconversionspeed?影响变换速度的因素•A/Dconverteronly•（仅由AD本身性质决定）•A/Dconverterandrelatedcircuitry•（AD变换器及其相关电路）•A/Dsystemandhost•（AD系统和主机）Acquisitiontime采集时间•Thetimerequiredtoperformacompleteconversionfromtheanalogsignaltodigital•（从模拟信号转换为数字信号所需要的完整时间）•Thetimerequiredafterreceiptof“startdigitizing”commanduntiltheA/Dconverterhasfinisheddigitizing•（收到“开始数字化指令”到数字化完成的时间）Settlingtime延迟时间•Timeittakestoswitchtoanewchannel•从一个信号通道到另一个通道所需的时间•Eachtimeauserswitchesbetweenchannels,thereisadelay,referredtoassettlingtime•通道之间相互转换的时间，也称为延迟Throughputrate总传输率•TheinverseofA/Dconversiontime+acquisitiontime•AD变换+采集时间----时间的倒数•MeasuredinHertz(Hz),whichmeansthenumberofconversionspersecond•以赫兹来表征•Themaximumrateatwhichthedataconversionsystemcanoperate,whilemaintainingaspecificaccuracy•指在保持足够精度条件下数据变换系统能够执行的最大速率。Throughput总时间•AcquisitionSystem–Theacquisitionsystemdeterminesthemaximumthroughputpossible（采集系统决定了可能的最大总时间）–Theentiresystem(host,disk,A/Dboard,andprogram)determinesthepracticalthroughput（实际系统由主机、硬盘、数采板和程序大小、速度来决定）Throughput•Throughputisspecifiedasanaggregateofallchannels•（定义为所有通道的集总时间）–A/Drunsataconstantrate（AD以固定速率运行）–Numberofchannelsdeterminesthroughputperchannel（通道数决定了每通道的传输时间）•ThehostcomputerandsoftwaremustbeabletoservicetheA/