数据采集基础知识重点

数据采集基础知识
张斌 北京凌华技术支持部 http://www.adlinkchina.com.cn http://www.adlinktech.com
Advance technologies; Automate the world.
内容大纲
• 信号与系统初步 • 基本定义
– A/D – D/A – DIO – Timer/Counter
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
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数据位数
二进制代码或补码
单极性或双极性
CPU
5. 中断信号控制
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A/D转换的过程--同步板卡
A/D触发信号
模拟
+
信号
_
模拟
+
信号
_
A/D n 转换器
A/D n 转换器
数据 缓冲区
模拟
+
信号
_
A/D n 转换器
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6.25
100
5.00
011
3.75
010
2.50
001
1.25
000
0
0 20 40 60 80 100 120 140
时间
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A/D基本定义
• A/D数据格式
– 二进制原码 – 二进制循环码
A/D Data (Hex) 7FFF 4000 0001 0000 FFFF C000 8001 8000
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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）
PCI总线
…
内存(Buffer)
CPU
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 »…
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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
• 输入范围与增益
– 输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 – 单极性与双极性
» 双极性： e.x. -10V ~ +10V (20V范围) » 单极性： e.x. 0V~+5V (5V范围) » 跳线设置或编程设置
– 可编程增益
» 对于大信号应用： 普通增益（1,2,4,8） » 对于小信号应用： 高增益（1,10,100,1000）
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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）
接地信号
浮空信号
DI
PC Based信号采集系统
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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）
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A/D基本定义
足够的采样率下的采样结果
过低采样率下的采样结果 Advance technologies; Automate the world.
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
– 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
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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，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围
– 例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益
» 可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V
+10V +5V 0V
-10V
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A/D基本定义
• 采样精度/分辨率：Accuracy / Resolution
– 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
• 信号的分类：
数字量 信号
开/关信号 脉冲队列 直流信号
模拟量
时域信号
频域信号
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on
10-
信息
off
状态
t
速率
t
0.985
幅值
tHale Waihona Puke Baidu
形状
t
频率
f
信号与系统初步 (续)
•数 字
信 号
on
off t
开关信号
输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门
Decimal Value +32767 +16384 1 0 -1 -16384 -32767 -32768
Voltage (Volts) +10.00000 +5.00015 +0.00031 0.00000 -0.00031 -5.00015 -10.00000 -10.00031
7. 隔离与 非隔离
3. A/D 数据缓冲区 数据寄存器 FIFO 缓冲区
4. 数据传输 I/O 指令
DMA 总线主控
AT 总线或 PCI 总线
多
路
模拟 信号
选
择
2. 触发源控制 触发信号源 采样频率
+
A/D n 数据
_
转换器
缓冲区
内存(Buffer)
A/D 触发信号
中断信号
6. A/D 分辨率与数据格式
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A/D转换过程
A/D转换时钟
数字量输出
A/D转换器
模拟量输入
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A/D转换过程--多路切换卡
1. 信号源控制 通道数 信号类型 (SE/DI) 信号范围 自动通道扫描
适合
适合
RSE
不适合
适合
NRSE
适合
适合
– 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。
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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
• CLK与Trigger
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A/D基本定义
• Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法
上升沿触发
下降沿触发 正沿触发
模拟触发
触发 事件
延时触发
预触发
N
中触发
M
后触发
数字触发
M
N N
负沿触发
N
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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 – ……
之内 – 需在测量端与测量地之间连接偏置电阻
– 10K ohm<R1=R2<100K ohm – 信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需
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A/D基本定义
• 几种信号输入方式的特点
– 差分输入
» 可避免接地回路干扰 » 可避免因环境引起的共模干扰
• 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
声呐
应力
对采集卡的要求
DC精度
分辨率 采样频率 精度 触发
分辨率 采样频率 精度 触发
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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
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– NRSE
» 可避免接地回路干扰
– RSE
» 最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入
➢ 输入信号幅值较大，一般需>1V ➢ 连线比较短，一般<5m ➢ 环境干扰很小或信号屏蔽比较好 ➢ 所有输入信号都与信号源共地
» 否则建议选用差分输入方式
– 总体而言，差分输入方式是比较好的选择
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信号与系统初步
• 一个典型的系统：
1101…
1101…
采样/量化
模拟输入
数字信号
模拟重建
处理
数字输入
数字输出
模拟输出
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信号与系统初步 (续)
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
1-
0t
脉冲队列
输入： 读光编码器的输出信号 输出： 产生一个方波
对采集卡的要求
驱动能力 通道数
时钟频率
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信号与系统初步 (续)
0.985
•模
t
t
f
拟
信
电压信号
时域信号
频域信号
号
温度
雷达回波
振动
压力
血压变化
语音
流量
汽车点火波形
– 采样数据最低位所代表的模拟量的值
– Nbit: 8bit / 12bit / 16bit
– 电压表示：输入范围/2n
– 用户关心的最小可测电压值
– 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压 为10/212=0.224mV 振幅
10.00
8.75 111
分辨率
7.50
110