信号的采集与处理

信号的采集与处理主讲人：王坚引言随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业和科学技术研究全都需要借助数字处理方法，而进行数字处理方法的先决条件是将所有的研究对象进行数字化，也就是所谓的数据采集与处理。数据采集技术是以前段的模拟信号处理、数字化、数字信号处理和计算机等高科技为技术形成的一门综合技术。它现在被广泛应用于图像处理、振动测试、语音信号分析和瞬态信号分析等多个领域。所以它也成为研究领域中必不可少的一门技术。信号模拟信号模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化。电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。数字信号数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，几乎复杂的信号处理都离不开数字信号；或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示，就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。两者区别①模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的信号，时间上是连续的，幅度变化也是连续的。②数字信号是通过0和1的数字串所构成的数字流来传输的，幅度变化是跳变的。数据采集系统的构成一个典型的数据采集系统的处理步骤如下：传感器调理通道采样保持器单片机电平转换电路计算机AD转换器对象物理信号电信号电信号电信号数字信号数据采集系统的构成•传感器：将非电量转换成电信号输出。•调理通道：完成模拟信号的衰减、放大、隔离、滤波、传感器激励和线性化等功能。•采样保持器：保证A/D转换过程中信号的稳定。•A/D转换器：将模拟量转换成数子量。•单片机：进行数据采集。•电平转换电路：将TTL电平1转换成RS232C2电平。•计算机：接收数据并进行处理。备注:1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准6传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的主要功能是接受物理信号然后转变为电信号。调理通道1.放大电路微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也就是使调理后信号的最大电压值和ADC1的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低高放大倍数要求并可以提高较宽的动态范围。仪器信号调理的前端系统有几种放大模式，靠近传感器的微弱信号经过放大增益，最后只把大信号送给计算机，以使噪声影响减到最小。放大器直流放大器交流放大器电荷放大器电桥时间域频率域幅度增大低频保留,高频截止幅度增大高频保留,低频截止电荷增大△ZV备注:1:数模转换（介绍）（介绍）8调理通道1.放大电路1.1直流放大电路1)反相放大器1RRAFv反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。调理通道1.放大电路1.1直流放大电路1)同向放大器同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:11RRAFv同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。调理通道1.放大电路1.2交流放大电路若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。11RRAFv)2/()10~3(31LLfRCC调理通道2.滤波电路滤波可以消除噪声和不必要的干扰，噪声滤波器通常用于输入的信号是直流信号。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。滤波器低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器低通带通高通带阻调理通道2.滤波电路2.1RC无源滤波器在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器2)一阶RC高通滤波器2.1RC无源滤波器3)RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联调理通道3.隔离（屏蔽）隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开，因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板出来的数据不受地电位和输入模式的响。当输入DAQ1板的信号与得到的信号不共地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号的准确。4.激励信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。RTDS(温度／电阻)需要电流将电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都提供电流源以便使用这些传感器。5.线性化多传感器对被测量的量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化。备注:1:数据采集采样保持器A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，而在转换期间希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，才能保证正确的转换。当输入信号的频率较高时，就会产生较大的误差，为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换器开始转换之前将信号的电平保持，转换之后又能跟踪输入信号的变化，保证较高的转换精度。为此，需要利用采样保持器来实现。1.采样保持采样保持是利用切断电容器的输入后，电容器能保持其原有电压值的原理实现的(图3—33)。采样保持动作由两种模式构成；一种是采样模式，即采样保持的输出跟踪输入值；另一种是保持模式，即保持输出值。采样保持器1.采样保持在采样模式中，从保持模式移到采样模式的瞬间，输入值和输出值不一样，需经过一段时间，两值才能达到一致，这就是滞后现象，如图3—34所示，图中Ts表示开关滞后，TA表示稳定时间。进入跟踪状态后，一转换到保持模式、这时的输入值便被保持，这种场合伴有各种误差。2.采样定理采样保持器2.1采样信号的频谱采样过程是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘来．采样脉冲序列p(t)与信号x(t)图谱采样保持器2.采样定理2.2频混现象时域解释频域解释采样保持器2.采样定理2.3采样定理为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。fs＞2fmax或者Tmax＞2Ts需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号xs(t)，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。采样保持器3.采样方式数字化采样方式实时采样顺序采样随机采样等效采样A/D转换器•A/D转换是外部世界模拟信号和计算机之间联系的接口。它将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。•A/D转换器件的种类非常多，其实现方式主要有逐次逼近式，双积分式，计数式、并行式等。比较常用的有双积分和逐次逼近式两种。什么是A/D转换？A/D转换的实现方式？A/D转换器1.A/D转换器类型1.1逐次逼近式A/D转换器•包括比较器、控制电路、逐次逼近寄存器、D/A转换器构成。其基本原理是逐次逼近寄存器各位首先清”0”，然后设置最高位为”1”形成第一个试探值。该试探值通过D/A转换器后与待测量电压进行比较。如果待测量电压高于试探电压，则保持最高位不变；反之，则将最高位设置为”0”。然后将逼近寄存器的次高位设置为”1”，继续上述试探过程。通过从高位到低位地不断试探逼近寄存器各位值，最后得到转换结果。•逐次逼近式A/D转换器的特点是转换速度比较快，分辨率也较高，但是抗干扰能力比较差。控制电路逐次逼近寄存器8位D/A转换器ViVo+-缓冲寄存器比较器转换启动信号转换结束结果输出逐次逼近A/D转换原理图A/D转换器1.A/D转换器类型1.2双积分式A/D转换器•转换过程包括两步：1）对输入电压进行固定时间的积分，获得一个输出电压V0；2）对V0通过参考电压进行反积分，使其降低为0V，并统计反积分时间。•双积分式A/D转换的抗干扰能力比较强，性能稳定，但是转换速度比较慢。控制逻辑标准电压计数器积分器比较器Vi时间积分器电压固定积分时间标准放电时间T1待测放电时间T2放电斜率固定双积分式A/D转换原理图A/D转换器2.A/D转换器的主要参数•量程，指所能转换的模拟输入电压范围，可以分为单极型和双极型两种。•分辨率(LSB)，指A/D转换器所分辩的最小模拟输入量。n位A/D转换器能反应1/2n满量程的模拟输入电平。•精度，包括绝对精度和相对精度两种。其中绝对精度是指在A/D转换器输出端产生给定的数字量时，其实际模拟输入值同理想值之差，相对精度是指在满量程值已经校准的情况下，在量程范围内任意数字量输出，所对应的模拟量输入值与理论值之差。•转换时间，指从发出启动命令到转换结束获得整个数字信号为止所需要的时间间隔。A/D转换器2.A/D转换器的主要参数例1：S3C2410中的A/D转换器•8路10位，并支持触摸屏功能。•精度位1.5位，量程为0~3.3V，最大转换速率为500K。例2：8位模数(A/D)转换器ADC0809例1例2A/D转换器3.模数(A/D)转换器选用举例•采集一个频率为20KHz的信号，要求要分辨到2mV电压，信号电压的输入范围是0-5V，试根据下表确定A/D转换器的型号芯片型号分辨率转换时间模拟输入范围ADC08098位100s0-5VAD574A12位25s0-10V,±5V,0-20V,±10VAD67914位10s0-10V,±5V•信号电压的输入范围是0-5V：•ADC0809、AD574A、AD679均可•信号频率为20KHz，周期为50s：•根据采样定理AD574A、AD679均可•最小分辨电压•ADC0809：5/28=19.5mV•AD574A：10/212=2.44mV•AD679：10/214=0.61mV•应该选AD679单片机单片机（Singlechipmicrocomputer）微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。单片机单片机1.模数转换器与单片机的接口单片机2.模数转换器与单片机的接口的编程查询方式：定时采样方式向A／D发出启动脉冲信号后，先进行软件延时．延时时间取决于转换时间(例如0809为100um)，延时结束后直接从A／D口读入转换结果。因此这种方式比查询方式转换速度更慢，故应用较少。中断方式在前两种方式中，A／D采样过程中都要占用CPU大量的工作时间、降低厂CPU的工作效率。在实时性要求高，控制口较多的情况下须采用中断方式。在这种采样方式中，当启动A／D转换后，CPU可处理其它事务，当A／D转换结束时，由A／D芯片向CPU发出A／D转换结束的中断申请，CPU响应中断后，便进入中断服务程序，执行“读A／D转换结果”的操作。这样，CPU和A／D芯片在时间上是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。单片机2.模数转换器与单片机的接口的编程单片机2.模数转换器与单片机的接口的编程单片机与计算机的通讯1.1同步通讯1.2