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数据采集基础知识 张斌 北京凌华技术支持部 内容大纲 信号与系统初步 基本定义 A/D D/A DIO Timer/Counter 信号与系统初步 一个典型的系统： 信号与系统初步 (续) 信号的分类： 信号与系统初步 (续) 数字信号 信号与系统初步 (续) 模拟信号 信号采集 传感器 信号调理 放大 滤波 信号转换 …… 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出 PC Based信号采集系统 PC Base数据采集系统功能 A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出） Timer/Counter（定时器/计数器） 基本定义 A/D：模拟量-数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO …… A/D转换过程 A/D转换过程--多路切换卡 A/D基本定义 信号的频率 代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同： 语音：4kHz 音乐：20kHz 超声：20kHz~xxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz … A/D基本定义 采样频率 采样周期的倒数 表示采样快慢的物理量 多少时间采一个点/每秒采样多少个点 Nyquist采样定律：fs=2*fmax fs ：采样频率 fmax ：信号最高频率 一般最小为fs=2.5*fmax 工程上一般取为fs=6~8*fmax 采样定律的特例 等效时间采样 A/D基本定义 A/D基本定义 能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率） 解决方案 在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器 A/D基本定义 采样频率的控制 Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实现） Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟） 例如：频率 = 2MHz 时钟 /（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数） External CLK / Trig（外部时钟） 三种方式的特点 软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC信号 内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求 外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求 CLK与Trigger A/D基本定义 Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法 A/D基本定义 下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling） 用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格 下列情况适用硬件触发模式 采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件 A/D基本定义 多通道采样 同步采样 采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样 只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步 突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔 A/D基本定义 信号类型 从信号端来讲，信号分为 接地信号 浮空信号 从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（DI） 参考地单端输入（RSE） 无参考地单端输入（NRSE） 一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。 A/D基本定义 接地信号的测量 最好采用差分或NRSE方式 若采用RSE方式，会引入较大误差 接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰 如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式 A/D基本定义 浮空信号的测量 可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于