数据采集系统设计第二章模拟信号的数字化处理
数据采集和处理技术试题(卷)
一、绪论（一）、1、“数据采集”是指什么?将温度、压力、流量、位移等模拟量经测量转换电路输出电量后再采集转换成数字量后，再由PC 机进行存储、处理、显示或打印的过程。
2、数据采集系统的组成?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。
3、数据采集系统性能的好坏的参数?取决于它的精度和速度。
4、数据采集系统具有的功能是什么?（1）、数据采集，（2）、信号调理，（3）、二次数据计算，（4）、屏幕显示，（5）、数据存储，（6）、打印输出，（7）、人机联系。
5、数据处理系统的分类?分为预处理和二次处理两种；即为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。
6、集散式控制系统的典型的三级结构?一种是一般的微型计算机数据采集系统，一种是直接数字控制型计算机数据采集系统，还有一种是集散型数据采集系统。
7、控制网络与数据网络的结合的优点?实现信号的远程传送与异地远程自动控制。
（二）、问答题：1、数据采集的任务是什么？数据采集系统的任务：就是传感器输出信号转换为数字信号，送入工业控制机机处理，得出所需的数据。
同时显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，还将被生产过程中的PC机控制系统用来控制某些物理量。
2、微型计算机数据采集系统的特点是（1）、系统结构简单；（2）、微型计算机对环境要求不高；（3）、微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本；（4）、微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；（5）、微型计算机的各种I/O模板及软件齐全，易构成系统，便于使用和维修；3、简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点？（1）、一般微型计算机数据采集与处理系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。
（2）、直接数字控制型数据采集与处理系统（DDC）是既可对生产过程中的各个参数进行巡回检测，还可根据检测结果，按照一定的算法，计算出执行器应该的状态（继电器的通断、阀门的位置、电机的转速等），完成自动控制的任务。
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
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)
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。
模拟信号的数字化
模拟信号的数字化一、 实验原理与目的模拟信号的数字化包括:抽样，量化和编码。
本文主要是对模拟信号从采样到量化再到编码的整个过程做一个比较全面的matlab仿真，同时也对不同的采样频率所采取的信号进行了比较。
模拟信号首先被抽样，通常抽样是按照等时间间隔进行的，虽然在理论上并不是必须如此的。
模拟信号抽样后，成为了抽样信号，它在时间上离散的，但是其取值仍是连续的，所以是离散的模拟信号。
第二步是量化，量化的结果使抽样信号变成量化信号，其取值是离散的。
故量化信号已经是数字信号了，它可以看成多进制的数字脉冲信号。
第三步是编码，最基本的和最常用的编码方法是脉冲编码调制（PCM ），它将量化后的信号变成二进制码。
由于编码方法直接和系统的传输效率有关，为了提高传输效率，常常将这种PCM 信号进一步作压缩编码，再在通信系统中传输。
二、 抽样抽样：在等时间间隔T 上，对它抽取样值，在理论上抽样可以看作是用周期单位冲激脉冲和模拟信号相乘，在实际上是用周期性窄脉冲代替冲激脉冲与模拟信号相乘。
对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样速率足够大，则这些抽样值就能够完全代替原模拟线号，并且能够由这些抽样值准确地恢复出原模拟信号。
因此，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输这些离散的抽样值，接受端就能恢复原模拟信号。
描述这一抽样速率条件的定律就是著名的抽样定律，抽样定律为模拟信号的数字化奠定了理论基础。
抽样定律指出采样频率是：2sH ff对于本文中的信号定义为()(sin)s t A t 其中2ft 。
三、 量化模拟信号抽样后变成在时间上离散的信号，但是仍然是模拟信号，这个抽样信号必须经过量化后成为数字信号。
本文主要采用的是均匀量化，设模拟信号的取值范围是在a 和b 之间，量化电平时M，则在均匀量化时的量化间隔为b a M且量化区间的端点为i a i m若量化输出电平是i q取为量化间隔的中点，则：12i i im m q显然，量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同，即量化输出电平有误差。
数据采集与处理技术
计算机数据采集与处理技术1-8 章课后习题答案马明建第三版第一章绪论1.1数据采集系统的任务：答：数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需数据。
同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其总一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。
（ P15）1.2数据采集系统主要实现哪些基本功能 ? .答：数据采集系统主要实现以下９个方面的基本功能：数据采集；模拟信号处理；数字信号处理；开关信号处理；二次数据计算；屏幕显示；数据存储；打印输出；人机联系。
（P15）1.3简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。
答：数据采集系统的基本结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。
微型计算机数据采集系统的特点是：系统结构简单，技术容易实现，满足中小规模数据采集要求；对环境要求不高；价格低廉，系统成本低；可座位集散型数据采集系统的一个基本组成部分；其相关模板和软件都比较齐全，容易构成西欧它能够，便于使用与维修。
集散型数据采集系统的主要特点是：系统适应能力强；系统可靠性高；系统实时响应性好；对系统硬件要求不高；特别适合在恶劣环境下工作。
（P16）1.4数据采集系统的软件功能模块是如何划分的？各部分都完成哪些功能？答：数据采集系统软件功能模块一般由以下部分组成：（1）模拟信号采集与处理程序。
其主要功能是对模拟输入信号进行采集、标度变换、滤波处理以及二次数据计算，并将数据存入磁盘。
（2）数字信号采集与处理程序。
其功能是对数字输入信号进行采集及码制之间的转换。
（3）脉冲信号处理程序。
其功能是对输入的脉冲信号进行电平高低判断和计数。
（4）开关信号处理程序。
其功能是判断开关信号输入状态变化情况，若发生变化，则执行相应的处理程序。
（5）运行参数设置程序。
其功能是对数据采集系统的运行参数进行设置。
第2章 模拟信号的数字化处理
2.6 模拟信号的采样控制方式
查询方式
软件开发和调试比较容易，所需硬件少； 占用CPU时间，效率较低； 通常用于对实时性要求不高的场合
DMA方式
数据传输基本不占用CPU资源 传输速度快 硬件成本较高 常用于高速数据采集系统
2.7 量化与量化误差
2.7.1 量化
2.8.1 单极性编码
数D的值为所有非0位的值与它的权的积 的累加和 数D小于1，最大值为1-1/2n 用二进制分数码表示模拟电压的方法
ai an a1 a2 U FSR i FSR 2 n 2 2 2 i 1 2
n
式中： U 模拟电压 FSR 满量程电压
二进制编码就是用1和0所组成的n位数码来 代表量化电平 二进制编码分为单极性二进制码和双极性二 进制码
2.8.1 单极性编码
二进制码
在数据转换中，常采用二进制分数码
an a1 a2 D ai 2 2 n 2 2 2 i 1 式中：
i n
D 十进制数（小数） ai 取值0或1 n 位数 1 第i位的权为 i 2
3q 2q q 0 -q
)
x( t )
xq ( nTS
3q 2q q 0 -q
)
x( t )
t
t
e
qБайду номын сангаас/2 0 -q /2
e
t
q /2 0 -q /2
t
(a)
(b)
2.7.3 量化误差
对相同的模拟信号
量化单位大时，量化误差峰峰值较大，量化 误差的变化频率较低，量化噪声为低频、大 振幅噪声 量化单位小时，量化误差峰峰值较小，但是 量化误差的变化频率较高，量化噪声为高频、 小振幅噪声
模拟信号的数字化处理过程
探究问题：抽样信号CTFT频谱？
汕头大学姜永权编制
探究问题：如何从抽样信号恢复原模拟信号？
原模拟信号频谱 抽样信号通过理想低通滤波器
抽样信号频谱
汕头大学姜永权编制
采样定理
抽样信号频谱
理想低通 滤波器
被抽样的模拟信号频谱
汕头大学姜永权编制
探究问题：理想低通滤波后输出信号的频谱与原模拟信号频谱 相同的条件？
汕头大学姜永权编制
探究问题：实际DAC芯片输出信号有何特点？
阶梯信号：零阶插值，Rail-to-rail operation 实际DAC芯片多为阶梯重建器，并非理想重建器
汕头大学姜永权编制
探究问题：与理想重建器相比，阶梯重建器造成的误差有多大？ 理想重建器（无失真重建）
汕头大学姜永权编制
探究问题：阶梯重建器的频率响应？
2. 简述模拟信号数字化处理的完整过程，并说明各部分的作用
汕头大学姜永权编制
探究问题：时域分析能够得出结论吗？
探究问题：抽样间隔/抽样频率如何取？ 时域抽样定理
若抽样频率高（抽样间隔短） 有利于保留模拟信号信息，但数据量大 若抽样频率低（抽样间隔长） 不利于保留模拟信号信息，但数据量小
汕头大学姜永权编制
探究问题：抽样频率如何取值才能保证抽样信号能够 真实反映被抽样的模拟信号？
探究问题：阶梯重建器的单位冲击响应？
汕头大学姜永权编制
阶梯重建器的误差分析
对于没用信号 滤波不彻底
对于有用信号 滚顶失真
汕头大学姜永权编制
探究问题：如何解决没用信号滤波不彻底问题？
去影像模拟低通光滑滤波器
汕头大学姜永权编制
探究问题：如何解决有用信号的滚顶失真（包括阶梯重建器、 抗混滤波器和光滑滤波器造成的）问题？
医学信号数据采集系统设计
分辨率取决于A/D转换器的位数，习惯上 以输出二进制数的位数来表示。
如ADC0809转换器的分辨率为8位，表示 可以用28个二进制数对输入模拟量进行量化， 其分辨率为1LSB（最低有效位值），若最大 允 许 输 入 电 压 为 10V ， 则 1LSB==10V/ 28 =39.06mV。
数字化医疗仪器
第二章 医学信号 数据采集系统设 计
编辑课件
数据采集系统是医学信号数字化的基础
人体的各种物理量，如生物电位、心音、 体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速 度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由 诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号 检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送 模/数转换器（A/D），变成适合于微处理机使 用的数字量供系统处理。
MOV
MOV
MOVX
MOV
WAIT: DJNZ
MOVX
MOV
DPTR,#0FEFFH
A,#00H
;赋通道0地址
@DPTR,A ;启动IN0转换
R2,#40H
R2,DLY
;延时约120uS
A,@DPTR
30H,A
;结果存30H
编辑课件
c.中断方式
主程序：
MOV DPTR,#0FEFFH
MOV A,#00H
;赋通道0地址
MOVX @DPTR,A ;启动IN0转换
MOV R2,#20H
DJNZ R2,DLY
;延时,等待EOC变低
JB
P3.3,WAIT ;查询,等待EOC变高
MOVX A,@DPTR
MOV 30H,A
;结果存30H
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 )
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。
第2章 数据采集基础知识
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
数据采集的概念： 将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成为数字量后， 由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称 为数据采集系统。
被 测 物 理 量
非电量
传 感 器
电信号
信 号 调 理
模拟 信号
数 据 采 集 设 备
数字 信号
计 算 机
图2.1数据采集系统结构图
微机测控系统
2.1 数据采集系统的概念及其结构
混叠信号消除
采样率必须大于被采样信号频率的两倍。实际应用中，即使已
经确定必须被测的信号有一个最大的频率值，杂散信号可能会
带来比奈奎斯特频率高的频率。这些频率很可能会混杂在需要 的频率范围中，导致错误的结果。 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
集中采集式
•多路分时采集分时输入结构
2.1 数据采集系统的概念及其结构
分散采集式
•分布式单机数据采集系统的结构
2.1 数据采集系统的概念及其结构
分散采集式
•网络式数据采集结构
2.3 模拟信号的数字化
1 时间断续-采集信号 • 采样间隔Δt，采样点在时域上是分散的。
2 数值断续：
量化：把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，
模拟信号采集与处理技术
采样定理指出，如果一个模拟信号的 最高频率为$f_m$，则采样频率$f_s$ 必须满足$f_s geq 2f_m$，才能保证 采样后的数字信号能够准确还原原始 模拟信号。
采样频率越高，采样后的数字信号越 接近原始模拟信号，但同时也需要更 高的存储空间和处理能力。
量化误差与动态范围
01
量化误差是由于量化过程中将连续幅度值转换为离 散数字值而产生的误差。
02
模拟信号处理技术广泛应用于通信、音频、图像、雷达、导航
等领域。
模拟信号处理技术的主要目的是提取有用信息，改善信号质量
03
，实现信号的传输、存储和复用。
模拟信号滤波技术
1
滤波是模拟信号处理中的一种重要技术，用于提 取特定频率范围的信号或抑制噪声和干扰。
2
滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波 器和带阻滤波器等类型。
A/D转换器
将放大后的模拟信号转换为数字信号，便于 计算机处理。
放大器
将传感器输出的微弱电信号进行放大，以便 于后续处理。
数据采集卡
集成上述功能于一块卡上，可方便地与计算 机连接进行数据采集。
02
模拟信号处理技术
模拟信号处理概述
01
模拟信号处理是指对连续时间信号进行采集、变换、分析和综 合等处理的一系列过程。
模拟信号数字化转换概述
模拟信号数字化转换是将模拟信号转换 为数字信号的过程，以便于计算机处理 、存储和传输。
转换过程通常包括采样、量化和编码三个步 骤。
采样是将连续时间信号转换为离散 时间信号的过程；量化是将离散幅 度值转换为数字值的过程；编码则 是将量化后的样值转换为二进制码 组的过程。
采样定理与采样频率
模拟信号调制解调技术
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。
模拟信号的数字化处理
数据采集与处理
13
SDUT
2.3 采样定理
当0 <| sin φ |<1时， xs(nTs )的幅值均小 于原模拟信号，出现失真。
当| sin φ |= 1 时， xs(nTs ) = (-1)nA，它 与原信号x(t)的幅值相同，但必须保证
φ = π / 2。
由此可见： 量化器的位数n↑，量化单位q↓。
数据采集与处理
30
SDUT
2.7 量化与量化误差
2. 7.2 量化方法
日常生活中，在计算某个货物的价值 时，对不到一角钱的剩余部分，
一概忽略 处理方法
四舍五入
类似地，A／D转换器也有两种量化方法。
数据采集与处理
31
SDUT
2.7 量化与量化误差
只舍不入 量化方法
于是原来三种不同频率信号的采样值 相互混淆了。
数据采集与处理
17
SDUT
2.4 频率混淆与消除频混的措施
不产生频率混淆现象的临界条件：
fS = 2 fC
2. 消除频混
为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：
对于频域衰减较快的信号，减小TS。 但是，TS ↓ ，内存占用量和计算量 ↑。
数据采集与处理
缺点：要求硬件多，编程复杂。
数据采集与处理
23
SDUT
2.6 模拟信号的采样控制方式
⑶ 直接存储器存取（DMA）方式
特点：由硬件完成数据的传送操作。
在DMA控制器控
内存
制下，数据直接在外
部设备ADC和存储器
MEM 之间进行传送，而不
CPU I／O
DMA控制器
通过CPU 和I／O，因 而可大大提高数据的 采集速率。
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例如，设信号
x(t ) A sin(2f C t )
1 当 fC 时，其采样值为 2TS
x S (nTS ) A sin(
0 2
nTS
TS
)
16
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2.3 采样定理
则有
xS(nTS)= A sin(πn + φ) = A ( sin πn cos φ + cos πn sin φ) = A cos πn sin φ = A(-1) n sin φ
脉冲调制过程
数据采集系统设计
10
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2.2 采样过程
应该指出，在实际应用中， τ << TS 。
TS ↓， xs(nTs ) ↑，内存量↑；
采样周期 TS 决定了采样信号的质量和数量：
TS ↑， xs(nTs ) ↓，丢失的某些信息。 不能无失真地恢复成原来的信号，出 现误差。
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数据采集系统设计
23
SAUACC
2.4 频率混淆与消除频混的措施
在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用。
表2.1 典型物理量的经验采样周期值
被测物理量
流量 压力 液位 温度 成分
采样周期 (s)
1～ 2 3～ 5 6～ 8 10～15 15～20
24
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第 2 章 模拟信号的数字化处理
内存
CPU
DMA控制器
I／ O
外设
图2-10 DMA传送方式
29
数据采集系统设计
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2.6 模拟信号的采样控制方式
采样控制方式的分类归纳如下：
无条件采样 采样 定时采样
等点采样
查询采样
条件采样
中断控制采样
DMA方式采样
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30
SAUACC
2.6 模拟信号的采样控制方式
2. 采样控制方式的应用
数据采集系统设计
21
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2.4 频率混淆与消除频混的措施
不产生频率混淆现象的临界条件：
fS = 2 fC
2. 消除频混
为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：
对于频域衰减较快的信号，减小TS。 但是，TS ↓ ，内存占用量和计算量 ↑。
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22
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2.4 频率混淆与消除频混的措施
0.002s
频率混淆如右图所示。 例如： 某模拟信号中含有频率为 900Hz，400Hz及100Hz的成 分。 若以 fs = 500Hz进行采样， 此时 f S 2 100 Hz， 但
* * * t
t
*
* * * * t
fS
2 900 Hz
f S 2 400 Hz。
1 ／ 100 s=0.01s
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2.6 模拟信号的采样控制方式
数据采集系统设计
28
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2.6 模拟信号的采样控制方式
⑶ 直接存储器存取（DMA）方式 特点： 由硬件完成数据的传送操作。
在DMA控制器控 制下，数据直接在外 部设备和存储器MEM 之间进行传送，而不 通过CPU和I／O，因 而可大大提高数据的 采集速率。
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8
SAUACC
x(t)
2.2 采样过程
xS(nTS )
δTs(t) x(t) xS(nTS ) K
t
τ
TS
2TS
3TS …
t
TS
采样过程
图中：
xs(nTs ) — 采样信号;
0, TS, 2 TS — 采样时刻
τ — 采样时间； TS — 采样周期。
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9
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讨论： 当φ = 0， xs(nTs ) = 0，即采样值为零， 无法恢复原来的模拟信号x(t) 。
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17
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2.3 采样定理
当0 <| sin φ |<1时， xs(nTs )的幅值均小 于原模拟信号，出现失真。 当| sin φ |= 1 时， xs(nTs ) = (-1)nA，它 与原信号x(t)的幅值相同，但必须保证 φ = π / 2。
综上所述，只有在采样起始点严格地控制 在φ = π / 2时，才能由采样信号xs(nTs )不失真地 恢复出原模拟信号x(t) ，然而这是难以做到的。
结论： 采样定理对于
1 fC 2TS
不适用的。
18
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第 2 章 模拟信号的数字化处理
2.4 频率混淆与消除频混的措施
1. 频率混淆 什么是频率混淆？
采样周期变化 ②变步长采样：
⑵ 条件采样
方法 ①查询方式 ②中断方式
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26
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2.6 模拟信号的采样控制方式
查询方式： CPU不断检查A／D转换状态， 以确定程序执行流程。 优点：硬件少，编程简单。 缺点： 占用较多CPU机时。 响应中断，暂停主程序，执 中断方式： 行中断服务程序。 优点： 少占用CPU机时。 缺点： 要求硬件多，编程复杂。
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多路开关 传感器 传感器 放大 传感器 被 测 物 理 量 传感器 … … 数字信号
器
复习
采 显示器 计 算
打印机 绘图机
定时与逻辑控制
机
传感器
传感器
开关信号
接 口
微型计算机数据采集系统 数据采集系统设计
1
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复习
上位机
通信接口
RS-485 数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场 数字量 输入 数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场 数字量 输入 RS-485
将信号幅值轴分成若干层，各层之间的间 隔均等于量化单位q。 量化方法： 信号幅值小于量化单位 q 倍数的部 分，一律舍去。
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2.7 量化与量化误差
量化信号xq(nTs )用表示： 当 0 x S (nTS ) q 时， xq (nTS ) 0
xq (nTS ) q 当 q x S (nTS ) 2q 时，
2.6 模拟信号的采样控制方式
1. 模拟信号的采样控制方式 ⑴无条件采样
特点： 运行采样程序，立即采集数据，直 到将一段时间内的模拟信号的采样 点数据全部采完为止。
为无约束采样。 优点：
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2.6 模拟信号的采样控制方式
缺点： 不管信号是否准备好都采样，可能 容易出错。 ①定时采样：采样周期不变 方法
第 2 章 模拟信号的数字化处理
2.7 量化与量化误差
1. 量化
什么是″量化″？
量化— 采样信号的幅值与某个最小数量 单位的一系列倍数比较，用最接 近采样信号幅值的最小数量单位 倍数来代替该幅值。
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2.7 量化与量化误差
最小数量单位 — 量化单位，用 q 表示。
量化单位定义：量化器满量程电压FSR (Full Scale Range)与2n 的比值。
5
SAUACC
2.1 概 述
连续模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：
①时间断续
过程
量化
②数值断续 编码
信号转换过程如下图所示。
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6
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2.1 概 述
x(t)
x(t)
采样/保持
t
xS(nTS)
xS(nTS)
量化
xq(nTS)
编码
xq(nTS)
4q 3q 2q q
TS 2TS 3TS …
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2.3 采样定理
|X ( f ) |
- fC - 21 TS
0
fC
1 2TS
f
图2.4 fc 与 Ts 的关系
⑵ 条件2的物理意义
采样周期 Ts 不能大于信号截止周期 Tc 的一半。
数据采集系统设计
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2.3 采样定理
3. 采样定理不适用的情况
1 一般来说，采样定理在 f C 时是不适用的。 2TS
数据 采集 站 模拟量 输入 生 产 现 场
数字量 输入
集散型数据采集系统
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2
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作
业
习题与思考题 3,7
数据采集系统设计
3
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第2章 模拟信号的数字化处理
2.1 2.2 2.3 2.4 2.6 2.7 概述 采样过程 采样定理 频率混淆及其消除的措施 模拟信号的采样控制方式 量化与量化误差
图2.5 高频与低频的混淆
20
数据采集系统设计
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2.4 频率混淆与消除频混的措施
由图可见，三种频率的曲线没有区别： 对于100Hz的信号，采样后的信号波形 能真实反映原信号。
对于400Hz和900Hz的信号，则采样后 完全失真了，也变成了100Hz的信号。
于是原来三种不同频率信号的采样值 相互混淆了。
1 2 fC
f s 2 fC
数据采集系统设计
12
SAUACC
2.3 采样定理
则连续信号
x(t )
n
x (nT )
s s
sin
Ts
(t nTs )
Ts
(t nTs )