信号的采集与处理 ppt
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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)。
放大器
直流放大器 （介绍
）
交流放大器 ห้องสมุดไป่ตู้荷放大器
（介绍 ）
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
电桥
△Z V
备注: 1:数模转换
-
7
调理通道
1.放大电路
1.1直流放大电路
1) 反相放大器
反相放大器是最基本的电路，其闭环 电压增益Av为:
Av
RF R1
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。
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。
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
-
13
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
-
14
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。
备注: 1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准
-
5
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。
-
8
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:
Av
1
RF R1
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。
-
9
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。
AD 转换 器
数 字 信
单片 机
号
号
电平 转换 电路
计算 机
-
4
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RS232C 2电平。 • 计算机：接收数据并进行处理。
-
2
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。
信号的采集与处理
主讲人：王坚
-
1
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。
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
。
-
3
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：
对 象
物传 理感 信器
电 信 号
调理 通道
电 信 号
采样 保持 器
电 信 号
Av
1
RF R1
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。
C 1 C 3 (3 ~ 1)/0 2 (R L fL )
-
10
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。
-
6
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。
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 11
调理通道
2.滤波电路
2.1 RC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
-
12
2.1 RC无源滤波器 2) 一阶RC高通滤波器
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)。
放大器
直流放大器 （介绍
）
交流放大器 ห้องสมุดไป่ตู้荷放大器
（介绍 ）
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
电桥
△Z V
备注: 1:数模转换
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调理通道
1.放大电路
1.1直流放大电路
1) 反相放大器
反相放大器是最基本的电路，其闭环 电压增益Av为:
Av
RF R1
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。
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。
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
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13
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
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14
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。
备注: 1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准
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5
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。
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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:
Av
1
RF R1
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。
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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。
AD 转换 器
数 字 信
单片 机
号
号
电平 转换 电路
计算 机
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4
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RS232C 2电平。 • 计算机：接收数据并进行处理。
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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。
信号的采集与处理
主讲人：王坚
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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。
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
。
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3
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：
对 象
物传 理感 信器
电 信 号
调理 通道
电 信 号
采样 保持 器
电 信 号
Av
1
RF R1
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。
C 1 C 3 (3 ~ 1)/0 2 (R L fL )
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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。
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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。
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
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带阻 11
调理通道
2.滤波电路
2.1 RC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
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2.1 RC无源滤波器 2) 一阶RC高通滤波器