信号采集与处理设计报告

《信号采集与处理》

学院：信息科学与工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

1 绪论

随着计算机技术的发展，数据采集系统的应用也日益广泛。数据采集是工业控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。此外，在科研过程中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据的重要手段之一。

数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统的目的是便于对一些物理量进行监视、控制。即将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。换言之，其主要功能就是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。

数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。

数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。

随着数字化进程的加快，工业生产和科学研究等各个领域对数据采集提出了更高的要求。数据采集作为信息处理系统的最前端，从广义上讲，主要包括以下几个方面：数据的采集、数据的存储、数据的初步处理等，并且一般需要通过PC接口总线将数据送入计算机，根据不同的需要进行相应的算法处理。简言之，数据采集系统的主要任务就是把输入的模拟信号转换成数字信号，并对其进行处理，为进一步操作做准备。

2 交流信号采集与处理

在电力系统监控系统中，对发电厂、变电站、母线、输电线路等回路的电流都应该加以测量。一般这些线路上的电流都很大，不可能直接进行测量，因此先用电流互感器（TA）将大电流转换为小电流，而交流电流变送器捷成TA 的负载。图1为电流变送器与电流互感器的连接。

2.1电流变送器原理框图

电流变送器以电流互感器二次电流作为输入信号，电流输入信号首先通过变送器内部的中间电流互感器使变送器输入与后级线路电气隔离，中间电流互感器输出电路经过一个电阻转变为电压信号。精密交—直流变换电路将交流电压变为0—5V的直流电压，经过恒流输出电路得到0-1mA或4-20mA的直流输出信号。电流变送器的原理框图见图2。

2.2精密交流―直流变换电路

精密交流―直流变换电路由线性整流电路和低通滤波电路组成。采用线性整流电路可以改善由于整流二极管的非线性对交流―直流变换线性度的影响，低通滤波器消除全波整流后的工频二次以上的谐波，输出全波整流信号的平均值。

（1）全波线性整流电路，如图3所示

图3 全波线性整流电路

由于运算放大器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，因而负载效应小，易于级间配合。整流信号从运算反大器A1的同相端输入，并从A1输出端取得输出。

当Ui>0时，Ai输出为正,V1导通，V2截止，其等效电路图如图4（a）所示。很明显U1=Ui.对于运算放大器A2，同相输入产生的输出设为U01，反相输入产生的输出设为U02，则

U01 =(1+R4/(R2+R3))Ui (1) U02=-R4/(R2+R3)Ui (2) 将R4=2R1=2R2=2R3代入式（1）（2）得

U01=2 Ui；U02=-Ui

从而Ui>0时

U0=U01+U02=Ui (3) 当Ui<0时，A1输出为负，V1反偏，V2导通

U1=(1+R2/R1)Ui

U01=(1+R4/R3)Ui=3Ui

U02=-(R4/R3)U1=-4Ui 从而，Ui<0时

U0=U01+U02=-Ui (4) 同时考虑式（3）（4）得到U0=|Ui|

（2）有源低通滤波电路。经过全波线性整流的信号，通过有源低通滤波便可以得到一个平滑的直流电压信号。图5所示为有源低通滤波电路原理图。在这个电路中，运算放大器A3的输出U03，全部反馈到它的同相输入端，从而C2两端的电压近似为U03。

图5 有源低通滤波电路原理图

（2）恒流输出电路。一般都要求变送器都能具有较好的恒流输出，因而需要有一个恒压―恒流转换电路。图7所示是输出电流为0~1mA的恒流输出电路。它主要由一个运算放大器和两个NPN管V1、V2组成，电路的输入信号加于运放的反相输入端，V1接成倒相放大，V2作为射极跟随器。电路的负载串于V2的射极。此外，从V2的射极R7的两端引出反馈信号至运放的输入端。由于运放和V1的倒相，因为引至运放反相输入的信号形成正反馈，引至运放同相端输入端的信号形成负反馈。图7可见负反馈强于正反馈，输出端有恒定的电流输出。

2.3电力系统数据预处理

由于发电机变压器及其各种非线性负荷的作用，电力系统中除了基波之外，还存在着各种次谐波，这给我们希望准确地测量交流系统的各个参数带来了困难。在交流信号采样和变换的两侧都需要滤波。可以通过一定的计算，滤除不需要的谐波量，并计算出希望得到的交流量幅值和有效值。

（1）一阶低通Butterworth滤波电路

低通滤波器的基本电路特点是，只允许低于截止频率的信号通过。

（2）有源高通滤波器

高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。

2.4显示部分（以显示电压值为例）

（1）数字电压表原理框图

（2）各芯片简介

MC14433型集成双积分式A/D转换器

输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器记时，计数结果就是正比于输入模拟量的数字量。

MC14433的各管脚功能如下：

①(VAG)—电压接地端。

②(VR)—基准电压，外接基准电压端。MC14433的正基准电压可测量正、负电压。

③VX:被测电压输入端，MC14433为双积分型A/D转换器，未知电压与基准电压有以下关系:读数=(VX/VR)1999. 满量程的Vx=VR。满量程:1.999V。

④⑤⑥(R1.R1/C1.C1)—外接积分电阻电容元件端；