数据采集概念(长安大学)课件

Basics of Data Acquisition数据采集基础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)2、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Physiological studies（生理学研究）Environmental studies(temperature,etc.)（环境研究）Materials testing（材料试验）Medical research（医学研究）Quality control and testing（质量控制与试验）Typicaldataacquisitionapplications数据采集典型应用Strain,pressure,temperature and vibration analysis（应力、压力、温度、振动分析）Fluid analysis（流体分析）Manufacturing automation（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Full Scale Range(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：抽抽样和保持和保持。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。t0 xa(t)0 x(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Input and output(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/Dconverterthenumberofoutputlevelsequals2ne.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）Range is an input span for an A/D and D/A system（量程：A/D和D/A系统的输入范围）Typical ranges are based on available sensors（典型地，取决于传感器）Uni-polar(positive)（单极性）0to5volts0to10voltsBipolar（双极性）-5 to+5 volts -10 to+10 voltsFullscalerangeexamples例子+10v0v+10v+1.25v-10v-1.25vFSR=10vFSR=20vFSR=2.5vInput/Output输入/输出AnalogDigital(1)Resolution分辨率Resolution determines the smallest change that can be detected分辨率决定了能够检测到的最小变化量Specified in bits.Determines number of output levels,or steps8bits=256steps10bits=1024steps12bits=4096steps16bits=65,536stepsTypical Resolutions应用领域8-bit common for image capture图像捕捉10-bit general analog acquisition通用模拟量采集12-bit general analog acquisition16-bit precision analog acquisition精密模拟量采集24-bit high-accuracy analog acquisition高精度模拟量采集OutputLevels/ResolutionExample例子1-bit A/D Converter10+10v0vOutputLevels/ResolutionExample2-bit A/D Converter1100+10v0v1001OutputLevels/ResolutionExample4-bit A/D Converter+10v0v1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000OutputLevels/ResolutionExample12-bit A/D Converter1111 1111 11110000 0000 0000+10v0v4096 Output LevelsOutputLevels/ResolutionExample16-bit A/D Converter1111 1111 11110000 0000 0000+10v0v65,536 Output Levels6.3 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海森伯格测不准原理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，则可另选通道同时抽样保持卡,从而使通道间信号差减少为80 ns，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LSBLSB stands for“least significant bit”最小有效位An LSB represents the smallest change that can be resolved by the A/D converter代表了AD所能分辨的最小变化量LSB=Full Scale Range(FSR)2nWhataffectsconversionspeed?影响变换速度的因素A/D converter only（仅由AD本身性质决定）A/D converter and related circuitry（AD变换器及其相关电路）A/D system and host（AD系统和主机）Acquisitiontime采集时间The time required to perform a complete conversion from the analog signal to digital（从模拟信号转换为数字信号所需要的完整时间）The time required after receipt of“start digitizing”command until the A/D converter has finished digitizing（收到“开始数字化指令”到数字化完成的时间）Settlingtime延迟时间Time it takes to switch to a new channel从一个信号通道到另一个通道所需的时间Each time a user switches between channels,there is a delay,referred to as settling time通道之间相互转换的时间，也称为延迟Throughput rate总传输率The inverse of A/D conversion time+acquisition timeAD变换+采集时间-时间的倒数Measured in Hertz(Hz),which means the number of conversions per second以赫兹来表征The maximum rate at which the data conversion system can operate,while maintaining a specific accuracy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Acquisition SystemTheacquisitionsystemdeterminesthemaximumthroughputpossible（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）ThroughputThroughput is specified as anaggregate of all channels（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）The host computer and software must be able to service the A/D board before the next conversion is completeSpeedingupthroughputrate提高总采样率的方法Overlap mode-while one sample is in Sample and Hold circuitry,the next is read into the multiplexer（重叠模式）Throughput equals the greater of conversion time OR acquisition time,plus any time needed for Sample and Hold switching（总采样时间等于变换时间或采集时间较大者加上“采样保持”时间）Gettingsignalsintothecomputer将信号送入计算机Transducers convert physical variables into electrical outputs传感器将物理变量转换成电输出信号An input transducer(sensor)then supplies its output to signal conditioning circuitry(on a Screw Terminal Panel)电输出信号然后被送入信号调理电路Signal conditioning circuitry prepares for interfacing with the PC信号调理电路通过接口与计算机相连Gain增益A scale(multiplying)factor which increases an input signal to better utilize the range of the A/D converter是一个标尺，将输入信号放大，以更好地利用AD变换器的量程GainGain is the amplification applied to a signal to bring it to the range of the A/D systemHighLevelGains(PGH)forhighlevelsignals1,2,4,8LowLevelGains(PGL)forlowlevelsignals1,10,100,500SelectingGainandRange增益和量程的选择5 volts0 volts0 volts10 voltsUser InputSelected Range(uni-polar)Only 50%of the available A/D range is used.增益：1：1，仅使用了满量程的50%SelectingGainandRange增益和量程的选择5 volts0 volts-10 volts+10 voltsUser InputSelected Range(bipolar)Only 25%of the available A/D range is used.对于双极性AD，增益为1，仅使用了25%0 voltsSelectingGainandRange增益和量程的选择0.25 v-0.25 v-10 volts+10 voltsUser InputSelected Range(bipolar)Only 25%of the available A/D range is used.0 voltsGain Amp10SelectingGainandRange增益和量程的选择1 volt0 volts-10 volts10 voltsUser InputSelected Range(bipolar)Using this range only utilizes 1/20th of the range.This would allow the input to be divided into 205 increments.对于12位AD，分辨率=1/（20/4096）=2050 voltsSelectingGainandRange增益和量程的选择1 volt0 volts0 volts1.25 voltsUser InputSelected Range(uni-polar)Using this range utilizes 8/10ths of the range.This would allow the input to be divided into 3277 increments.对于12位AD，分辨率=1/（1.25/4096）=3277SelectingtheBestGain&Range最佳增益和量程的选择Analog input and output boards are generally designed to interface to the majority of sensors that are availableThe ranges used on I/O boards may not always be appropriate for every application模拟输入/输出板的设计通常是以传感器正常工作为原则；但并不能满足所有的应用。-需要信号调理模块的主要原因之一。SelectingtheBestGain&Range最佳增益和量程的选择To get the highest degree of accuracy possible out of an I/O board try to utilize as much of the available range as possible为得到最好的测量精度，尽可能使用满量程。Use internal or external gain selection使用内部或外部增益选择SelectingtheBestGain&Range最佳增益和量程选择Determine the maximum range that the input signal will use确定输入信号将使用的最大量程Determine if the signal is uni-polar(above zero)or bipolar(above and below zero)确定输入信号的极性（单或双）Evaluate the available gain and range combinations to select the most appropriate product根据增益和量程选择合适的产品PGLRange/GainCombinationsGainEffective RangeStep Size(LSB)12-bit 16-bit10-10 v2.4414 mv152.6 v100-1 v244.14 v15.26 v1000-100 mv24.414 v1.526 v5000-20 mv4.8828 v0.305 vUni-Polar and PGL ExamplePGLRange/GainCombinationsGainEffective RangeStep Size(LSB)12-bit 16-bit1 10 v4.8828mv305 v10 1 v488.28 v30.5 v100 100 mv48.828 v3.05 v500 20 mv9.7656 v0.61 vBipolar and PGL ExamplePGLRange/GainCombinationsGainEffective RangeStep Size(LSB)12-bit 16-bit10-10 v2.4414 mv152.6 v20-5 v1.2207 mv76.29 v40-2.5 mv610.35 v38.147 v80-1.25 mv305.17 v19.073 vUni-Polar and PGH ExamplePGLRange/GainCombinationsGainEffective RangeStep Size(LSB)12-bit 16-bit1 10 v4.8828 mv305 v2 5 v2.4414 mv152.6 v4 2.5 v1.2207 mv76.27 v8 1.25 v610.35 v38.147 vBipolar and PGH Example3、数字信号处理的优势 1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路 和机械结构2)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机。b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统信号的截断、能量泄漏 为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面我们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号:y(t)=x(t)w(t)将截断信号谱 XT()与原始信号谱X()相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱.原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。周期延拓信号与真实信号是不同的：能量泄漏误差能量泄漏实验：克服方法之一：信号整周期截断DFT与FFT 1、离散傅立叶变换 离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform）一词是为适应计算机作傅里叶变换运算而引出的一个专用名词。x(t)截断、周期延拓xT(t)周期信号xT(t)的傅里叶变换：对周期信号xT(t)采样，得离散序列xT(n),将积分转为集合：展开，得连续傅立叶变换计算公式：用计算机编程很容易计算出指定频率点值：采样信号频谱是一个连续频谱，不可能计算出所有频率点值，设频率取样间隔为：f=fs/N 频率取样点为0,f,2f,3f,.，有：该公式就是离散傅立叶计算公式(DFT)2、快速傅立叶变换 快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换的一种有效的算法，通过选择和重新排列中间结果，减小运算量。展开各点的DFT计算公式：XR(1)=x(0).cos(2pi*0*1/N)+x(1).cos(2pi*1*1/N)+x(2).cos(2pi*2*1/N).XR(2)=x(0).cos(2pi*0*2/N)+x(1).cos(2pi*1*2/N)+x(2).cos(2pi*2*2/N).有大量重复的cos、sin计算，FFT的作用就是用技巧减少cos、sin项重复计算。当采样点数为1024点,DFT要求一百万次以上计算量，而FFT则只要求一万次。栅栏效应与窗函数 1、栅栏效应 为提高效率,通常采用FFT算法计算信号频谱，设数据点数为N，采样频率为Fs。则计算得到的离散频率点为:Xs(Fi)，Fi=i*Fs /N,i=0，1，2，.，N/2 X(f)f0f 如果信号中的频率分量与频率取样点不重合，则只能按四舍五入的原则，取相邻的频率取样点谱线值代替。栅栏效应误差实验：2 能量泄漏与栅栏效应的关系 频谱的离散取样造成了栅栏效应，谱峰越尖锐，产生误差的可能性就越大。例如，余弦信号的频谱为线谱。当信号频率与频谱离散取样点不等时，栅栏效应的误差为无穷大。实际应用中，由于信号截断的原因，产生了能量泄漏，即使信号频率与频谱离散取样点不相等，也能得到该频率分量的一个近似值。从这个意义上说，能量泄漏误差不完全是有害的。如果没有信号截断产生的能量泄漏，频谱离散取样造成的栅栏效应误差将是不能接受的。能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏可以减小因栅栏效应带来的谱峰幅值估计误差，有其好的一面，而旁瓣泄漏则是完全有害的。常用的窗函数 1）矩形窗 2）三角窗 3）汉宁窗常用窗函数窗函数在减小栅栏效应误差中的作用实验：矩形窗函数汉宁窗函数巴特沃斯函数高斯窗函数平顶窗函数总结：信号截断能量泄漏FFT栅栏效应从克服栅栏效应误差角度看，能量泄漏是有利的。通过加窗控制能量泄漏，减小栅栏效应误差：加矩形窗加汉宁窗思考题：1.A/D，D/A转换器的主要技术指标有那些？2.信号量化误差与A/D，D/A转换器位数的关系？3.采样定理的含义，当不满足采样定理时如何计算 混迭频率？4.A/D采样为何要加抗混迭滤波器，其作用是什麽？5.数字信号处理中采样信号的频谱为何一定会产生 能量泄漏？6.用FFT计算的频谱为何一定会存在栅栏效应误差？7.窗函数的作用是什麽？