第八章-光电传感器输出信号的采集

二、DAQ设备
需要以多快的速度采集或生成信号？
对于DAQ设备来说，最重要的参数指标之一就是采样率，即 DAQ设备的ADC采样速率。典型的采样率（无论硬件定时或 软件定时）可达2MS/S。在决定设备的采样率时，需要考虑 所需采集或生产信号的最高频率成分。
Nyquist定理指出，只要将采样率设定为信号中所感兴趣的 最高频率分量的2倍，就可以准确地重建信号。然而，在实 践中至少应以最高频率分量的10倍作为采样频率才能正确 地表示原信号。选择一个采样率至少是信号最高频率分量 10倍的DAQ设备，就可以确保能够精确地测量或者生成信号。
电压范围和分辨率是选择合适的数据采集设备时所需考虑 的重要因素。
三、数据采集卡
ห้องสมุดไป่ตู้
数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡， 可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、 PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无 线网络等总线接入个人计算机。
模数转换器(ADC)
在经计算机等数字设备处理之前，传感器的模拟信号必 须转换为数字信号。 模数转换器(ADC)是提供瞬时模拟信号 的数字显示的一种芯片。实际操作中，模拟信号随着时间不 断发生改变，ADC以预定的速率收集信号周期性的“采样”。 这些采样通过计算机总线传输到计算机上，在总线上从软件 采样重构原始信号。
一、光电传感器信号的二值化处理
微型计算机所能识别的数字是“0”或“1”，即低或高 电平。 “0”或“1” 在光电信号中它既可以代表信号的有 与无，又可以代表光信号的强弱到一定程度，还可以检测运 动物体是否运动到某一特定的位置。将光电信号转换成“0” 或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光电信号的二值化处理分为单元光电信号的二值化处理与序 列光电信号的二值化处理。
三、数据采集卡
采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换
一个点所需时间有关。 例如：AD转换一个点需要T=10uS，则其采样频率f=1/T
为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫 兹(Hz)，常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等。
三、数据采集卡
触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动AD转换方
式。
模拟输入 通道数 单端通道 差分通道 分辨率 采样率 吞吐量 (所有通道) 最大模拟输入电压 最大电压范围 最大电压范围的精度 最小电压范围 最小电压范围的精度 同步采样
16 , 8 16 8 16 bits 250 kS/s 250 kS/s 10 V -10 V - 10 V 2.2 mV -0.2 V - 0.2 V 69 µV 否
一、光电传感器信号的二值化处理
1、单元光电信号的固定阈值法二值化处理电路 电压比较器的“－”输入端接能够调整的固定电位Uth。当 输入光电信号的幅值高于固定电位Uth时，比较器的输出为 高电平，即为1；当光电信号的幅值低于阈值电位Uth时，其
输出都为低电平，即为0。
一、光电传感器信号的二值化处理
二、DAQ设备
在测量光的强度信息时需要把光的强度数字化后才能送入 计算机进行存储、计算、分析传输和显示等处理，即需要 对光电信号进行量化处理。
DAQ设备是计算机和外部信号之间的接口。它的主要功能 是将输入的模拟信号数字化，使计算机可以进行解析。 DAQ设备用于测量信号的三个主要组成部分为信号调理电 路、模数转换器 (ADC)与计算机总线。
信号中可识别的最小变化，决定了DAQ设备所需的分辨 率。分辨率是指ADC可以用来表示一个信号的二进制数的位 数。一个3位ADC可以表示8（23）个离散的电压值，而一个 16位ADC可以表示65536（216）个离散的电压值。对于一个 正弦波来说，使用3位分辨率所表示的波形看起来更像一个 阶梯波，而16位ADC所表示的波形则更像一个正弦波。
§8 光电传感器输出 信号的数据采集
微型计算机（包括单片机、DSP、ARM单板机和系统机等） 具有运算速度快，可靠性高，信息处理、存贮、传输、控制 等功能性强的优点，被广泛地用于光电测控技术领域。
光电信号的种类很多，分为缓变信号，调幅、调频脉冲 信号与视频图像信号等。光电信号载运信息的方法基本上分 为幅度信息，频率信息和相位信息。如何将这些信息送入微 型计算机？
典二型的、DADQ设AQ备设的电备压范围为+/-5V或+/-10V。在此范围内，
电压值将均匀分布，从而充分地利用ADC的分辨率。
例如，一个具有+/-10V电压范围和12位分辨率（212 或4096 个均匀分布的电压值）的DAQ设备，可以识别？5mV的电压 变化；一个具有16位分辨率（216 或 65536个均匀分布的 电压值）的DAQ设备则可以识别到？300µV的变化。大多数 数据采集都可以使用具有12、16或18位分辨率ADC的设备解 决问题。
量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V、0~5V、
0~10V，要求输入信号在量程内进行。
增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，
通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定 倍数的放大。由两种型号PGA202(1、10、100、1000)和 PGA203(1、2、4、8)的增益芯片。
序列光电信号是指有序排列分体或集成光电器件按时间 顺序或规律输出的信号称为序列光电信号。例如光电二极管 阵列，线、面阵CCD的输出信号属于序列光电信号。
一、光电传感器信号的二值化处理
单元光电信号的二 值化处理
固定阈值法、浮动阈值法
生产薄钢板的工厂为使钢板 整齐捲成卷，以便包装运输， 采用钢板边缘位置的光电检 测系统。由光源、远心照明 光学系统、聚光镜和光电接 收器件构成。
主要指标：
通道数
分辨率
精度
采样频率
量程
增益
触发
三、数据采集卡
通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。
常用的有单端32路/差分16路、单端16/差分8路。
分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量的值，常有12位、
14位、16位等，(12位分辨率，电压5000mV)12位所能表示的 数据量为4096(2的12次方)，即±5000mV电压量程内可以表 示4096个电压值，单位增量为(5000mV)/4096=1.22mV
None 是
三、数据采集卡
声卡
声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功 能就是经过DSP音效芯片的处理，进行模拟音频信号与 数字信号的转换，因此，声卡也可以作为一块数据采 集卡来使用。
三、数据采集卡
声卡的技术参数
声卡的技术参数主要有两个：采样位数（分辨率）和采 样率。
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度，这个数值 越大，解析度就越高，录制和播放声音的效果就越真实。 声卡位数反映了对信号描述的准确程度。目前声卡的主流 产品位数都是16位，而一般数据采集卡大多只是12位。
二、DAQ设备
假设要测量的正弦波频率为1kHz。根据Nyquist定理，至少 需要以2kHz进行信号采集。建议使用10kHz的采样频率，从 而更加精确地测量或生成信号。 如图所示，是对一个频率为1kHz的正弦波分别以2kHz和
10kHz采样率采样时的结果比较。
二、DAQ设备
需要识别到信号中的最小变化是多少？
一、光电传感器信号的二值化处理
如钢板移向左侧，光电器件输出幅值将增大，反之，则减小。
设输出幅值为U0的值为“阈值”， 输出值大于U0的为“+1”，低于U0的 为“-1”，为“+1”时拖动机构带 动钢板向右移，使光电器件接收的 光能量减少输出幅度将逐渐降低。 而为“-1”时带动钢板向左移动， 使光电器件接收光的能量增加，输 出幅度逐渐升高。
三、数据采集卡
精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测
量准确程度。
一般用满量程(FSR，fullscalerange)的百分比表示， 常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如满量程范围为0~10V， 其精度为0.1%FSR，则代表测量所得到的数值和真实值之 间的差距在10mv以内。
二、DAQ设备
计算机总线
DAQ设备通过插槽或端口连接至计算机。作为DAQ设备和计 算机之间的通信接口，计算机总线用于传输指令和已测量 数据。DAQ设备可用于最常用的计算机总线，包括USB、PCI、 PCI Express和以太网。最近， DAQ设备已可用于802.11无 线网络进行无线通信。总线有多种类型，对于不同类型的 应用，各类总线都能提供各自不同的优势。
概述 产品 产品系列 总线类型 产品 编号 操作系统 / 对象 LabVIEW RT支持 DAQ产品家族 测量类型
隔离类型 与RoHS指令的一致性
PCIe-6320 多功能DAQ
PCI Express
781043-01 实时系统 , Windows 是 X系列 正交编码器 , 数字 , 电 压 , 频率
3、序列光电信号二值化处理-固定阈值法 如：直径测量系统、条码扫描系统、文字识别系统等。
无需灰度信息，只需二值特征。
线阵CCD输出信号的二值化处理电路与输出的波形图
一、光电传感器信号的二值化处理
4、序列光电信号二值化处理-浮动阈值法 线阵CCD输出的信号经采样保持器采得该周期最初时间段输出 的背景信号并将其保持到整个周期。使阈值电平跟随CCD的背 景光的强度变化，而使二值化信号与背景的强弱无关。
由于声卡只是处理音频信号，目前最高采样率为 44.1kHz，少数能达48kHz。对于普通声卡，采样频率一般 设为4档： 44.1kHz， 22.05kHz， 11.025kHz和8kHz。
三、数据采集卡
声卡的硬件接口
一般声卡有4~5个对外接口。Wave Out和SPK OUT是输出接 口。 Wave Out输出的是没有经过放大的信号， SPK OUT输 出的是经过功率放大的信号，可直接接到扬声器上。Mic In和Line In是输入接口，Mic In接口只能接受较弱的信号， Line In接口可接受不超过1.5V的信号。两个输入接口内部 都有隔直电容，直流或频率较低的信号不能被声卡接受。 MIDI In输入接口一般接MIDI乐器或游戏摇杆。
2、单元光电信号的浮动阈值法二值化处理电路
若使光电检测系统不受光源的影响，应采用浮动阈值二 值化处理电路。阈值电压为采集光源发光强度的光电二极管输
出的电压。用这个电压的分压值为阈值Uth，可以跟随光源发
光强度而变化。
当光源发光强度高时，
Ui增高， Uth也增高使
输出的二值化电压稳定 不变。
一、光电传感器信号的二值化处理
二、DAQ设备
DAQ设备的功能 模拟输入，用于测量模拟信号 模拟输出，用于输出模拟信号 数字输入/输出，用于测量和生成数字信号 计数器/定时器，用于对数字事件进行计数或产生数字脉冲 /信号 有些DAQ设备仅拥有上述功能中的一种，而多功能DAQ 设备则可以实现所有上述功能。
二、DAQ设备
信号调理
信号调理电路将信号处理成可以输入至ADC一种形式。 电路包括放大、衰减、滤波和隔离。一些DAQ设备含有内 置信号调理，用于测量特定的传感器类型。