第二章数据采集与模拟信号数字化(xkj)1
【公开课】专题梳理2数据采集与编码
11.(2022·宁波九校高二)下列关于数制和编码的说法正确的是( D ) A．若十六进制数末位为0，则该数转换为十进制数后，末位可能是奇 数也可能是偶数
B．一幅1024×1024 的未经压缩的BMP 格式的黑白图像的存储容量约 为0.25 M
C．汉字在计算机内使用汉字国标码来表示，不使用二进制编码 D．二维码可以存储包括网址、名片、文本、特定代码在内的各种信息
知识要点1 数据采集
2.数字化 （1）定义：将模拟信号转变为数字信号的过程称为数字化，用到的主要设备是模数
转换器(ADC) 。 （2）模拟信号的数字化过程：
(自然界的大多数信号，如数字、文字、图像、声音……)
3.采样、量化 （1）采样定理：当采样频率大于或等于被采样信号最高频率的两倍时，得到 的离散信号可以完整的保留原始信号的所有信息。 （2）采样频率：1秒钟内采样的次数。常用单位是kHz,Hz （3）量化位数：表示采样后的一个信号点使用的二进制位数。 （4）采样频率越高，量化位数越多，数字化后的信号越接近实际数据。
专题2 数据采集与编码
知识要点1 数据采集
1.数据采集 早期：观察、实验等人工方式 现在：以机器获取为主
传感器：获取自然信源的数据。是一种能感受被测量敏感元件和转换元件组成。
网络爬虫：按照一定的规则，自动地抓取网页上数据的程序或脚本， 可在短时间内获取大量网络数据。
解析:模拟信号以连续变化的物理量存在，选项D错误。
知识要点2 数制 进制是一种记数方式，也称为进位计数法或位值计数法。 (1)进制的标识
(2)两个基本要素：基和权。 基，又称为基数，是组成该数制的数码个数； 权，又称为权值，是指每一个数位上的1对应的数值。
知识要点2 数制 (3)十进制转二进制、十六进制的方法(除R取余，倒序连接)
通信原理教程模拟信号的数字化课件
数字信号的复原方法
由于数字信号的采样样本是离散的，因此复原出的信号可能会有一定的失真或误差，尤其是在采样率较低或信号频率较高时。
数字信号复原的准确性
数字信号的复原
数字信号误差的来源
数字信号的误差主要来源于采样过程中的量化误差、传输过程中的误码以及解码过程中的失真等。
将图像信号数字化，便于存储、传输和编辑。
将电视信号数字化，提高图像质量和传输效率。
数字通信
数字音频
数字图像
数字电视
02
CHAPTER
采样定理与采样
采样定理公式
采样定理的公式是 f_s >= 2f_max，其中 f_s 是采样频率，f_max 是信号的最高频率。
采样定理定义
采样定理是关于模拟信号数字化的基本理论，它确定了采样频率与信号最高频率之间的关系，以避免信号失真。
编码定义
编码是将离散的数字信号转换为可以在通信信道中传输的码字的过程。
编码
编码缺点
编码过程会增加数字信号的复杂性，需要更多的计算和存储资源；同时，不同的编码方式具有不同的特点和适用场景，需要根据实际需求进行选择。
量化优点
量化可以将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，便于计算机处理和传输；同时，量化可以减小信号的动态范围，降低信号的复杂性。
量化缺点
量化过程会产生量化误差，导致信号质量的损失；同时，量化过程需要选择合适的量化级数和方式，否则可能会引入额外的噪声和失真。
编码优点
编码可以提高数字信号的传输效率和可靠性；同时，编码可以提供差错控制和数据压缩等功能。
量化与编码的优缺点
数据采集基础知识 PPT课件
x s (nTs ) x(nTs) (t nTs )
n 0
采样定理：连续信号→离散信号
连续时间信号，可以表示为无限多个谐波的叠加。 信号x(t)和频谱X(f)的关系为：
x(t )
i 2ft x ( t ) e dt
X ( f )ei 2ft df
（2-1）
X( f )
（2-2）
由
X( f )
x(nTs )
恢复出 x(t ) ，频谱
X( f )
和采样间隔 Ts 必须满足：
有截止频率(即最高频率) f c ，即当 f f c 时， X( f ) 0 （2-3） 1 1 Ts 或 f c 2T （2-4） 2f
c
s
采样定理：连续信号→离散信号
x(t)
x(t)
0
t
采样/保持
xs(nTs) xs(nTs)
0
Ts 2Ts 3Ts ...
t
量 化
xq(nTs) 4q 3q 2q q
xq(nTs)
编 码
x(n) x(n)
0
Ts 2Ts 3Ts ...
t
计算机
0
001 011 100 010 010 011
t
模拟信号离散化处理时遵循的原则
(1) 采样点增多，占用计算机的大量内存单元，可能会因内存不 够而无法工作； (2) 采样点太少，各采样点之间相距太远，使原始数据值的失真， 信号复原时不能复现原来连续变化的模拟量，从而造成误差。 对模拟信号离散化时，依据采样定理进行。
数据采集：被测对象的各种参量通过各种传感元件经过适当
转换后，经采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制 器进行数据处理或存储记录的过程。 数据采集系统(DAS,DAQ：Date Acquisition System)
第2章--模拟信号的数字化传输PPT课件
结论 ：
1）均匀量化器的量化信噪比（SNR）dB，除了与
编码位数n有关以外，还与输入信号强度(如Ue)有 密切联系。
-
29
2）均匀量化时，编码位数n不变，输入信号强度 过小或过大都会使量化信噪比降低； 3）为了保证量化信噪比的要求（即最低量化信噪 比满足规定），均匀量化的编码位数n比较大，否 则在输入小信号时量化信噪比达不到传输要求。
-
8
例2-1 试求下列带通信号的无失真抽样速率Fs 1) 信号频率范围为2～2.5MHz 2) 信号频率范围为312～552kHz
解：1） 已知fL =2 MHz， fH =2.5MHz， 信号带宽 B = fH - fL=（2.5-2）MHz=0.5MHz， fH/B = N+K=5, N =5, K=0, 属于结论中的情况1), 所以：Fs =2B =2×0.5MHz =1MHz。
n
m(t) = m ( nTs ) Sa [2pfc(t －nTs)] n
（2-9） （2-11）
理想带通信号： 满足带通信号抽样定理，可以利用理想带通滤波器 从抽样信号的频谱中取出原信号的频谱。 否则，搬移后的频谱就会出现重叠，无法从Ms(f)中 恢复出M(f)。
-
13
知识点3：脉冲振幅调制（PAM）
-
15
图2-3 脉冲调制波形示意图
图2-3 脉冲调制波形示意图
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16
PAM： 将模拟信号的抽样值加载在脉冲载波的幅度上。
两种实现PAM的方式： 一、自然抽样 二、平顶抽样
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一、自然抽样 自然抽样是由基带信号与具有一定宽度的窄矩形脉
冲载波直接相乘来实现的。
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18
自然抽样信号mn(t)频谱表达式为
中科大数据采集与处理技术课件——模拟信号的数字化处理
(k=1,2,3, …)
模拟信号的数字化处理
2.4 频率混淆与消除频混的措施
2. 消除频率混淆的措施 多阶有源RC巴特沃斯滤波器：巴
特沃思型滤波器具有最大平坦幅 为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法： 频响应的特性,且具有良好的线性 对于频域衰减较快的信号，减小 TS。 相位特性,其数学分析和网络结构 但是，TS过小，不仅增加内存占用量和计算量，还会使频 简单等优点,故目前广泛采用。
t
xS(nTS)
xS(nTS)
量化
xq(nTS)
编码
xq(nTS)
4q 3q 2q q
TS 2TS 3TS …
t
x(n)
计算机
x(n)
TS 2TS 3TS …
t
100
010
010
011
001
011
n
数据采集与处理技术
模拟信号的数字化处理
2.2 采样过程
采样过程:
一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为TS， 开关闭合时间为τ）的采样开关K之后，在开关输出端输出 一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs)。
数据采集与处理技术
模拟信号的数字化处理
2.4 频率混淆与消除频混的措施
2. 消除频率混淆的措施
在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用， 即先经消除混频滤波器滤波后，然后将采样频率提 高到fc的3~5倍，再对信号进行采样和处理。 典型物理量 的经验采样 周期值 被测物理量 采样周期 (s) 1～ 2 3～ 5 6～ 8 10～15 15～20
xS(nTS )
δTs(t)
t
x(t) K
δTs(t) xS(nTS )
通信原理教程模拟信号的数字化PPT课件
数字信号接收质量
数字信号接收质量受到多种因素 的影响，如信道质量、噪声干扰、 失真等，需要采取相应的措施来
提高数字信号接收质量。
数字信号的抗干扰能力
抗干扰能力
数字信号在传输过程中受到各种 噪声和干扰的影响较小，具有较
强的抗干扰能力。
抗干扰技术
为了进一步提高数字信号的抗干扰 能力，可以采用多种抗干扰技术， 如信道编码、差错控制编码、扩频 通信等。
通信原理教程：模拟 信号的数字化ppt课
件
目录
• 引言 • 模拟信号与数字信号的对比 • 模拟信号的数字化过程 • 数字信号的传输与接收 • 数字信号的优势与应用 • 结论
01
引言
主题简介
01
模拟信号的数字化是通信原理中 的重要概念，涉及信号的采样、 量化和编码等过程。
02
本课程将介绍模拟信号数字化的 基本原理、方法和技术，以及其 在通信系统中的应用。
数字信号的特点
数字信号的值在时间上是离散的，幅 度上也是离散的，只能表示有限的离 散状态。
模拟信号与数字信号的优缺点比较
模拟信号的优点
模拟信号能够表示连续 变化的物理量，因此能 够更准确地表示实际物
理量。
模拟信号的缺点
模拟信号容易受到噪声 和干扰的影响，传输过
程中也容易失真。
数字信号的优点
数字信号具有抗干扰能 力强、传输可靠、精度 高、易于存储和复制等
THANKS
感谢观看
优点。
数字信号的缺点
数字信号是离散的，不 能表示连续变化的物理 量，因此在某些领域可
能不够准确。
03
模拟信号的数字化过程
采样
01
02
模拟信号数字化的基本原理及编码技术
模拟信号数字化的基本原理及编码技术【原创版】目录一、引言二、模拟信号数字化的基本原理1.抽样2.量化3.编码三、模拟信号数字化的编码技术1.PCM 波形2.量化与编码四、模拟信号数字化的应用五、总结正文一、引言在现代通信技术中，模拟信号数字化技术起到了至关重要的作用。
它能够将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，以便于传输和处理。
本文将从模拟信号数字化的基本原理和编码技术两个方面进行介绍。
二、模拟信号数字化的基本原理模拟信号数字化主要包括三个过程：抽样、量化和编码。
1.抽样：抽样是将连续的模拟信号在时间上离散化的过程。
离散化的目的是为了方便数字信号的处理。
抽样的基本原理是：在固定的时间间隔内对模拟信号进行采样，使连续的信号变成离散的信号。
2.量化：量化是将抽样后的离散信号在数值上离散化的过程。
离散化的目的是为了方便数字信号的表示和处理。
量化的基本原理是：将抽样后的信号值转换为最接近的数字值，表示抽样信号的大小。
3.编码：编码是将量化后的数字信号用二进制数码表示的过程。
编码的基本原理是：将量化后的数字信号转换为二进制数码，以便于数字信号的传输和处理。
三、模拟信号数字化的编码技术模拟信号数字化的编码技术主要包括 PCM 波形和量化与编码。
1.PCM 波形：PCM 波形是一种用于表示数字信号的电波形。
它包括单极性波形和双极性波形。
单极性波形用正电平和零电平分别对应二进制数字"1"和"0"；双极性波形则在正电平和零电平之间添加一个负电平，用正电平、零电平和负电平分别对应二进制数字"1"、"0"和"-1"。
2.量化与编码：量化与编码是将模拟信号数字化的关键步骤。
在量化过程中，需要选择合适的量化间隔，以保证数字信号的精度。
在编码过程中，需要选择合适的编码方式，以提高数字信号的传输效率。
四、模拟信号数字化的应用模拟信号数字化技术在现代通信领域有着广泛的应用，如音频信号数字化、视频信号数字化等。
模拟信号数字化的基本方法
模拟信号数字化的基本方法
模拟信号数字化是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。
这个过程通常通过采样和量化两个主要步骤来完成。
以下是模拟信号数字化的基本方法：
1. 采样（Sampling）：采样是将连续时间内的模拟信号在一系列离散时间点上取样的过程。
这样可以将模拟信号在时间上分割成一系列瞬时值。
采样频率（采样率）是指每秒钟采样的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。
根据奈奎斯特定理，采样频率应该至少是信号中最高频率的两倍。
2. 量化（Quantization）：量化是将连续的振幅范围分成有限数量的离散级别的过程。
在量化中，模拟信号的每个采样值都映射到最接近的离散级别上。
量化级别的数量由量化位数决定，通常以比特（bits）为单位。
更多的比特可以提供更高的分辨率，但也意味着更大的数据量。
3. 编码（Encoding）：将量化后的信号表示为数字形式。
这可以通过直接使用二进制来表示，也可以采用各种编码方案，如二进制补码、格雷码等。
编码后的数字信号通常以二进制形式存储或传输。
4. 存储和传输：数字信号可以被存储在计算机内存中，也可以通过通信通道进行传输。
在这一步骤中，需要考虑信号的采样率、量化位数和编码方案，以便在存储和传输的过程中维持信号的质量。
这些步骤一起构成了模拟信号数字化的基本方法。
数字信号的生成使得信号处理、存储和传输更容易，并且可以使用数字系统进行进一步的分析和处理。
然而，需要注意的是，数字化过程中的采样和量化会引入误差，这被称为采样和量化误差。
选择适当的采样率和量化位数是数字化设计中的关键考虑因素。
模拟信号数字化的基本原理及编码技术
模拟信号数字化的基本原理及编码技术一、模拟信号数字化的基本原理模拟信号是连续变化的，而数字信号是离散的。
因此，模拟信号数字化的过程就是将连续的模拟信号变为离散的数字信号。
这个过程主要包括采样、量化和编码三个步骤。
1. 采样采样是指将模拟信号在时间上进行离散化的过程。
具体来说，就是以一定的时间间隔对模拟信号进行取样，得到一系列的离散样本。
这些样本虽然在时间上是离散的，但在幅度上仍然是连续的。
采样定理指出，如果采样频率高于信号最高频率的两倍，就能够无失真地恢复出原始信号。
2. 量化量化是指将连续的幅度值转换为离散的数字量的过程。
具体来说，就是将取样得到的连续样本进行幅度上的离散化，将其转换为有限个离散的数字量。
这个过程会产生一定的量化误差，因此量化等级越高，误差就越小。
3. 编码编码是指将量化后的离散数字量转换为二进制代码的过程。
具体来说，就是将量化后得到的离散数字量转换为相应的二进制代码，实现模拟信号的数字化。
编码完成后，就可以进行数字信号的传输、存储和处理了。
二、模拟信号数字化的编码技术1. 脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（PCM）是一种常见的模拟信号数字化编码技术。
PCM通过对模拟信号进行采样、量化和编码，将其转换为数字信号。
PCM编码具有较高的压缩比，能够实现较高的音频和视频质量。
2. 增量脉冲编码调制（ΔPCM）增量脉冲编码调制（ΔPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对相邻样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
ΔPCM编码具有较低的压缩比，适用于一些对音频和视频质量要求较低的应用场景。
3. 增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）是一种结合了ΔPCM和PCM的编码技术，它通过对模拟信号进行过采样和噪声成形，提高了对微弱信号的检测和识别能力。
ΣΔPCM编码适用于一些对信号质量要求较高的应用场景，如高保真音频等。
4. 差分脉冲编码调制（DPCM）差分脉冲编码调制（DPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对当前样本与前一个样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
工业通信系统的数据采集与处理
工业通信系统的数据采集与处理在现代工业中，为了实现自动化、智能化的生产，需要通过工业通信系统来进行数据的采集和处理。
工业通信系统包括设备之间的通信网络、通信协议和数据采集与处理设备等多个组成部分。
本文将探讨工业通信系统中数据采集与处理的相关内容，以及如何确保数据的准确性和安全性。
一、数据采集数据采集是工业通信系统中最基本的环节之一，它通过传感器、仪表等设备将实时的物理量、状态等信息转化为数字信号，并通过工业通信网络传输到数据中心或控制中心进行处理。
数据采集可以通过有线或无线的方式进行。
在工业通信系统中，常用的数据采集方式包括模拟信号采集和数字信号采集。
模拟信号采集是将模拟信号转化为数字信号，通常需要使用模数转换器等设备。
数字信号采集则直接利用数字接口进行信号采集，比如通过以太网接口进行数据传输。
二、数据处理数据采集完成后，数据需要进行处理和分析，以提取有价值的信息和知识。
数据处理的方式主要有实时处理和离线处理两种。
实时处理主要用于对数据进行快速的分析和决策，在需要实时响应的场景下应用较多。
常见的实时处理方法包括数据过滤、数据聚合、数据转化等。
通过实时处理，可以及时发现问题和异常，保证生产过程的稳定性和可靠性。
离线处理主要用于对历史数据的分析和挖掘，通过建立模型、算法等方法，对数据进行深入的分析和预测。
离线处理可以帮助企业追溯产品质量问题、改进生产工艺等。
同时，离线处理还可以辅助企业进行决策和优化，提高生产效率和降低成本。
三、数据的准确性与安全性保障工业通信系统中的数据采集与处理必须保证数据的准确性和安全性，以避免数据错误和泄露的风险。
首先，数据采集要保证传感器、仪表等设备的准确性和稳定性，及时校准和维护设备，确保数据的真实可靠。
其次，数据在传输过程中需要采取加密、签名等方式，确保数据传输的完整性和机密性。
使用安全可靠的通信协议和网络设备，加强网络安全防护措施，防止数据被非法获取和篡改。
最后，数据处理过程中要进行严格的数据验证和异常处理，排除因数据错误导致的误判和误操作。
虚拟仪器开发与应用教程 第2章 数据采集基本概念
模拟频域信号
模拟频域波形信号在传递信息方面类似于时域信号，信号也随时间变化。 然而，从频域信号提取信息是基于信号的频率成分，而非随时间变化的 信号波形。
DAQ系统在采集模拟频域信号时应满足下列指标： 宽带——以高速率采样信号。可以测量到的最大信号频率必须小于采 样频率的一半 精确的采样时钟——在精确的时间间隔内采样信号（要求硬件定时） 触发——在精确的时刻启动测量 分析功能——将时域信息转换为频域信息
模拟直流信号
模拟直流信号是一种静态或缓慢变化的模拟信号。如温湿度、电池电 压、压力和静态负载等。最重要的特征是通过特定时刻信号的电平或 幅度传递有用信息。
DAQ系统在采集模拟DC信号时应满足下列指标： 高精度/分辨率——精确测量电平信号 低带宽——以低速率采样信号（软件定时即可满足）
模拟时域信号
模拟时域波形信号通过随时间变化的信号电平传递有用信息。当测量波形 信号时，人仧对波形的形状特征感兴趣，如斜率、位置和波峰等。时域信 号多种多样，其共同点是波形的形状（电平不时间）是人仧感兴趣的主要 特征。
DAQ系统在采集模拟时域信号时应满足下列指标： 宽带——以高速率采样信号 精确的采样时钟——在精确的时间间隔内采样信号（要求硬件定时） 触发——在精确的时刻启动测量
例如：测量温度，可以将温度传感器（通常要通过信号调理装置，取决于传感器类型） 连接到DAQ设备的模拟输入通道，然后使用计算机上的虚拟仦器程序读取设备上的相应 通道数据，在屏幕上显示温度，将其记录到数据文件，并按照需要分析数据。
02 信 号 的 类 型
信号分类
在迚行测量乊前，为了使信号调理硬件能调理信号，或让DAQ设 备 直接测量，首先必须将物理量转化为电信号，如电压或电流。 在物理量转换为电信号形式后，就可以迚行测量，并提取如下相 关 信息：状态、速率、电平、形状、频率成分。
数据采集与模拟信号数字化
+∞
m=−∞
∑c e
m
2π
∞
2π jm t T
− jm t 1 T/2 ∞ 1 T cm = ∫ ∑δ (t − nT)e ∴ dt = T −T / 2 T n=−∞∫Βιβλιοθήκη T /2−T / 2
δ (t)e
2π − jm t T
1 dt = T
1 ∴ δT (t) = T ∑e m=−∞
∞
2π jm t T
(1.1.5)
1 X ( jΩ) = [ X ( jΩ) *∆( jΩ)] 2π
将（1.1.4)和(1.1.5)代入上式：
∧
∧
1 2π ∝ X ( jΩ) = [ ∑δ (Ω− mΩs )* X ( jΩ)] 2π T m=−∝
两个变化 采样因子 频谱的周期延拓 基带频谱 调制频谱
1 ∝ ∝ = ∑ ∫ X ( jθ )δ (Ω− mΩs −θ )dθ T m=−∝ −∝
xS ( nTS ) = ∑x( nTS )δ ( t − nTS )
n=0
+∞
(1.1.3)
二、采样定理
采样定理（香农定理) ：
要想采样后不失真地还原原信号，采样频率必须 大于原信号频谱中最高频率的两倍，即:
Ωs ≥ 2Ωm
解释：
1. 过程
采样脉冲序列可以用傅里叶级数展开：
δT (t) = ∑δ (t − nT) =
只舍不入量化误差：
平均误差：
e = ∫ ep(e)de = ∫
−∞
∞
q
0
1 q ede = q 2
最大量化误差： 量化误差的方差：
emax = q
q
σ
q 21 q2 = ∫ (e − e)2 p(e)de = ∫ (e − ) de = e 0 −∞ 2 q 12
第二章数据采集基础 2
2.同相放大器增益为：Avf＝V0/Vi＝1＋Rf/R
同相放大器的放大倍数大于1，至少等于1。
VIRTUAL INSTRUMENT
同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放 才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反 相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。
Vi + _
稳定性高。
作用：用于将传感器或基本转换电路输出的微弱信号 不失真地加以放大，以便进一步对信号加工和处理。
2019/1/18
3
VIRTUAL INSTRUMENT
1. 放大器的分类
结 构：直流耦合放大器和交流耦合放大器
放大级数量：单级放大器和多级放大器 单极放大器：晶体管放大器和场效应晶体管放大器 晶体管放大器：共射极、共基级和共集电极放大器
场效应晶体管放大器：共源极、共栅极和共漏极放大器
典型前级放大器：测量放大器、程控增益放大器和隔离放
大器
2019/1/18
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VIRTUAL INSTRUMENT
2. 基本放大器的结构图
直流电源及相应偏置电路：晶体管 提供静态工作点，保证晶体管工作 在放大区或场效应晶体管工作在饱 和区。 输入信号源：待放大的输入信号
多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。
VIRTUAL INSTRUMENT
2.6.2 采样保持电路
连续的模拟信号转换成离散的数字信号，需时间离散和数值离散 。
x (t )
x(t)
采样/保持
xS(nTS)
t
xS(nTS)
量化
xq(nTS)
编码
xq(nTS)
4q 3q 2q q
TS 2TS 3TS …
模拟信号数据采集
系统采样率
根据采样时间和传输速度决定了系统的采样率 转换时间由器件的特性决定 传输速度由接口的特性决定 普通接口 1启动 2转换 3传输 4存储 高速接口 1启动 2采样 3缓存 4块传输 （2 3反复多次）
线性度和测量误差
测量误差： 系统误差 系统固有的误差，可消除的误差 粗大误差 偶然误差，大干扰或误码 随机误差 噪声 系统噪声，环境噪声，输入噪声 线性度用线性误差的大小来衡量，是系统固 有的，可以通过刻度进行校正。
模拟信号数据采集实验要求模拟信号数据采集的主要指标1分辨率转换精度2动态范围3转换时间4线性度及测量误差模拟采集系统设计adc的测量范围和测量精度测量范围adc参考电压分辨率vvref设系统增益位k则系统参数范围adc测量范围k系统分辨率adc分辨率kk越大分辨率越高测量范围越小采用程控放大可以扩大测量范围兼顾小信号分辨率选择高位数的adc可以提高分辨率系统采样率根据采样定理采样率越高采集数据到波形的可恢复性就越好
实验要求
采用MCP3204设计一个模拟电压测量系统， 测量范围0-5伏，测量精度1mV，显示器显 示值0-5000。 测试在51单片机12M时钟控制下，测量最小采 样间隔是多少？
子程序
1 数据显示子程序 2 数据采集子程序 3 电压转换子程序 4 定时子程序
模拟信号数据采集
实验要求
模拟信号数据采集的主要指标
1、分辨率（转换精度） 2、动态范围 3、转换时间 4、线性度及测量误差
模拟采集系统设计
1 ADC的测量范围和测量精度 测量范围ADC参考电压 分辨率∆V=Vref /（2n-1） 2 设系统增益位K，则系统参数 范围=ADC测量范围/K 系统分辨率=ADC分辨率/K K越大分辨率越高，测量范围越小，采用程控放大可 以扩大测量范围，兼顾小信号分辨率 选择高位数的ADC可以提高分辨率
第2章 数据采集基础知识.
2.3.4 编码
编码：把量化的数值用代码表示。 (1)单极性编码：用于信号恒为正值或负值的情况 1）二进制码。 2）二—十进制（BCD）编码。 (2)双极性编码：信号在一个周期内有正负时采用 1）符号－数值码。 2）偏移二进制码。 3）补码。
单极性编码
二进制编码：十进制数D的量化电平表示为
D
为了保证输入信号的频率全部在给定范围内，需要在采样器和 ADC之间安装一个低通滤波器（可以通过低频信号，削弱高坡 信号的滤波器）。因为它通过对高频信号（高于奈奎斯特信号 频率）进行削弱，减少了混频信号的干扰，所以这个滤波器被 称为抗混频滤波器，这个阶段数据仍然处于模拟状态，所以抗 混频滤波器是一个模拟滤波器。
n i1
ai 2i
a1 2
a2 22
...
an 2n
第1位(MSB)的权是 1 ，第2位的权是 1 ，…，第n位(LSB)的
xs(nTs ) x(nTs) (t nTs ) n0
采样定理：连续信号→离散信号
连续时间信号，可以表示为无限多个谐波的叠加。
信号x(t)和频谱X(f)的关系为：
x(t) X ( f )ei2ftdf
（2-1）
X ( f ) x(t)ei2ftdt
（2-2）
由 x(nTs ) 恢复出 x(t) ，频谱 X ( f ) 和采样间隔 Ts 必须满足： X ( f ) 有截止频率(即最高频率) fc ，即当 f fc 时，
0
t
0 τ
2Ts 3T认为是一个脉冲调制过程，采样开关可看做是一个 调制器。这种脉冲调制过程是将输入的连续模拟信号x（t）的 波形转换为宽度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列，如 图2-3所示。
x(t)
第二章模拟信号的数字化处理与多路复用技术课件ppt
复帧对 告和备 用比特
因此，在实际应用中常将模拟信号转变为数字信号。
TS17～TS30 用于话路
TS31用于话路
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 极 段落码 段内码 性 码
H1模DB拟3信码号：的1 数-11字0010化01处-V理1 +1101001 +奇V 帧-1TS0+1 -B00 F1-Va +b1 c-1d a b c d
TS1～TS15 用于话路
标志信号时隙
破(b)坏第脉2冲路之；1后的0 传0 号1码1极0性也1 要1 交偶替帧。TS0 调制方法：脉冲编复帧码定调位制码6个帧(组目成前，固复定帧为周1)期为2ms；
F0
0
0
0
0
1
0 1
1
1
复帧定 位码组
奇 保留给国内用 帧帧 识 对 (目前固定为1) 别告 码码
第1路 第16路
F2 a b c d a b c d 第2路 第17路
…
… …
F15 a b c d a b c d 第15路 第30路
从时间上讲： 抽样频率为8KHz，抽样周期125µS，这也就是
PCM 30/32的帧周期； 一复帧由16个帧组成，复帧周期为2ms； 一帧内要时分复用32路，每时隙包含8位码组。
x1 t
TS
2TS
x3 t
xs2 t
3TS
x2 t
xs3 t
4TS
xs1 t
5TS
t
3 (a) 第 1 路； (b) 第 2 路； (c) 第 3 路； (d) 3路合成的波形
三、 32路PCM的帧结构
16帧、2ms F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15
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（1.1.1)
假设采样脉冲为理想脉冲
xS (nTS ) x(nTS ) (t nTS )
（1.1.2)
只考虑正值时间
x S ( nTS ) x( nTS ) ( t nTS )
n 0
(1.1.3)
(2)采样定理(Sampling theory)
连续信号 x(t) 离散信号 x(nTs)
1 X ( j jm s ) T m
另一种证明方式：
采样后的信号为
^
xs (nT )
其频谱为 X ( j) x(t )T (t )e jt dt
1 j ( m s ) t x(t )e dt T m
原信号的频谱为
第2章 数据采集与模拟信号数字化
采样技术 量化 编码 孔径时间 数据采集系统
数字信号处理系统
信号转换过程
2.1 采样技术
采样过程 采样定理 采样方式
(1)采样过程
模拟信号 X(t) 采样器 X(t) 离散的脉冲信号
t
Ts
t
数学描述
xS (nTS ) x(t ) T (t ) x(与某个最小数量单位的一系列整倍数 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。
量化电平 量化误差
VFS q N 2
e x S ( nTS ) xq ( nTS )
“只舍不入”的量化过程
“只舍不入”的量化特性曲线与量化误差
“有舍有入”的量化过程
2
2 jm t 1 T /2 1 T (t )e dt T T / 2 T
1 jm T t T (t ) e T m
2
2 s T
采样信号是原始信号x(t)与脉冲序列的乘积
x(t)的频谱：
X ( j) x(t )e jt dt
m
t
s
s
s 2 m s 2 m
s
s
高频与低频的混叠
(3)采样方式
实时采样 等效时间采样
实时采样
信号波形的第一个采样点就被采入并数字化，然后，经 过一个采样间隔，再采入第二个样本。这样一直将整个 信号波形数字化后存入波形存储器。 特点： 信号波形一到就采入，适用于任何形式的信号波形， 重复的或不重复的，单次的或连续的； 所有采样点是以时间为顺序，易于实现波形的显示； 时间分辨率较差。每个采样点的采入、量化、存储，必 须在小于采样间隔的时间内全部完成。
t 0
V
2fVFS
dV dt
V 2fTCONV VFS
t 0
V TCONV
要求 A/D转换结束时的转换误差小于其最小分辨率的1/2
“有舍有入”的量化特性曲线与量化误差
2.3 编码
A/D单极性直接二进制编码
Vout VFS [ (
N
an 2
n
)]
aN , aN 1 ,a2 , a1
n 1
Vmax VFS ( 1
1 2
N
)
例：工作电压0～10V，12位A/D
Vmax =111 111 111 111=(9.9976)10(V)
（1.1.4)
脉冲序列的频谱：
1 jm s t jt jt ( j) T (t )e dt e e dt T m 1 j ( m )t 2 e dt ( m s )
X(n) 第1个周期信号 第1个 采样点 (a) n X(n)
第2个 采样点 第2个周期信号
t
(b) n
X(n)
第3个 采样点 第3个周期信号
2t
(c) n
X(n) 第n个周期信号
(n 1)t
(d) t 第n个 采样点
X(n) 共n个周期信号 采集n个采样点 (e) n
2.2 量化
Vmin =000 000 000 000=(0.0000)10(V)
引入适当的偏置，A/D在双极性方式下工作 多种二进制编码格式
1.偏移二进制码
2.反码编码
3. 2的补码
Vmax VFS [1
1 2
N 1
]
例如，－10V－＋10V， 12位 Vmax(正)＝0111,1111,1111 +9.9951V V (中)＝0000,0000,0000 0 V Vmax(负)＝1000,0000,0000 -10.000V
例如，AD1674，12位，10us 实质是20－0V 偏移 10V FFF 0 800 －10V 000 －800变补码 10V 7FF 0 000 －10V 800
注意：
1.
2 1 x Vi VFS
N
2.编码方式见说明书
2.4 孔径时间
正弦波信号
V VFS sin 2ft
dV dt
X ( j) x(t )e
jt
比较可得
1 X ( j) X [( j ( m s )] T m
^
采样后信号的频谱
几点说明
1 （1）频谱的幅度受 加权 T 2 （2）频谱产生了周期延拓，以 T s 为间隔重复
X ( j)
1
m
1 T
Nyquist（Shannon)采样定理：
要想采样后不失真地还原原信号，采样频 率必须大于原信号频谱中最高频率的两倍， 即
s 2 m
推导过程
采样的脉冲序列
T (t ) (t nT )
m
c
m
e
jm
2 t T
jm t 1 T /2 T )e cm (t nT dt T / 2 T n
s
T
m
T
m
(1.1.5)
1 X ( j ) [ X ( j) * ( j)] 2
将（1.1.4)和(1.1.5)代入上式：
1 2 X ( j ) [ 2 T
m
( m ) * X ( j)]
s
1 X ( j ) ( m s )d T m