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。

（6）系统管理（主控）程序。

其功能是将各个模块程序组织成一个程序系统，并管理和调用各个功能模块程序，其次是用来管理数据文件的存储和输出。

（7）通信程序。

其功能是设置数据传送的波特率（速率），上位机向数据采集站群
发送
机号，上位机接收和判断数据采集站发挥的机号，命令相应的数据采集站传送数据，上
位机接受数据采集站传送来的数据。

（ P20） 1.5 模拟信号处理程序的主要任务是什么？ 答：模拟信号处理程序的主要任务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。

（ P20）
1.6 数据处理的类型有哪些？ 答：数据处理的类型一般按一下方式分类： 按处理方式划分，数据处理可分为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。

按处理的性质划分，数据处理可分为预处理和二次处理两种。

（ P21） 1.7 数据处理的主要任务是什么？ 答：数据处理的主要任务有以下几点：
（1）对采集到的电信号做物理量解释 （2）消除数据中的干扰信号 （ 3）分析计算数据的内在特征（ P22）
第二章 模拟信号的数字化处理
2.1 什么叫采样？（ P24 ）采样频率如何确定？（ P26 ）
2.2 试说明，为什么在实际采样中，不能完全满足采样定理一所规定的不失真条件？ 解：若模拟信号为
只有在
时， x S （nT S ）与 x （t ）的幅值才相同。

但在工程上很难做到。

（ P29）
2.3 对某种模拟信号 x （t ） ，采样时间间隔 TS 分别为 4ms 、8ms 、 16ms ，试求出这种模拟 信号的截止频率 fC 分别为多少？ 2.4 采样周期与哪些因素有关？如何选择采样周期？ 解：（ 1）采样周期与信号 x （t ） 的截止频率 fC
有关。

模拟信号的采样值为
解：由采样定理 f S ≥ 2 f C ， 有
f C f 2
S
，则
当 TS=4ms 时， fS=250Hz∴ f C 250 125Hz 当 TS=8ms 时，
fS=125Hz∴ f C 当 TS=16ms 时， fS=62.5Hz∴ f C
2
125 2
62.5 62.5
31.25Hz
62.5Hz
2.5 什么叫做量化？ 答：量化是指把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一些列整倍数比较， 以最接近于采样 信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。

这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。

（P41）
2.6 对采样信号进行量化的最小数量单位是多少？它与 FSR 和量化器的位数 n 之间有何关
系？ q 的定义知： LSB 代表 n 位二进制分数码所能分辨的最小模拟量。

2.8 什么叫做编码？ 答：编码是指把量化信号的电平用数字代码表示。

（ P47） 2.9 把十进制 256 转换成相应的 BCD 码。

答：（ 256） =（ 10 0101 0110） 2.10 用 2 的补码计算表达式“ 16 -5 ”的值。

答： 16-5=16+（-5）=（10000）B+（11011）B=（01011）B （不考虑进位 ）
第三章 模拟多路开关
3.1 模拟多路开关的接通电阻 R ON 比一般的电子开关更大还是更小？ 答：模拟多路开关的导通电阻一般比较大
,理论数值为小于 100 欧姆。

（而且该导通电
阻随
温度的变化而变化） 。

而电子开关 （比如干簧管） 的导通电阻比较小， 其导通电阻趋向于０， 可看作理想的开关。

模拟开关是通过数字量来控制传输门（ TG ）的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开
关。

它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上 可以用来代替继电器。

它的缺点是导通电阻不够小 （几十至几百欧），断开时仍有泄露电流 （约 0.1），且通过的电流一般为毫安级。

3.2 模拟多路开关输入端一般是几个端子？输出端为几个端子的通道选择器？ 答：模拟多路开关输入端一般是 8 个端子，输出端为 1 个端子的通道选择器。

2）根据采样定理
2f C
，确定采样周期。

答：最小数量单位是量化单位 q ，q =
FSR
2n
q 与 FSR 成正比，与 2n 成反比。

2.7 绝对误差 0LSB 是否绝对无误差，其意义如何？绝对误差为 1/8LSB ，其意义如何？ 答：不是无误差， LSB 表示数码的最右端的位即最低有效位； LSB=q=FSR
2n
，根据量化单位
3.3 某数据采集系统具有 8 个模拟通道， 各通道输入信号频率可达 5kHz, 而且至少要用每个 采样周期 10 个采样点的速度进行采样，
（1）多路开关的切换速率应是多少？ （2）可选用什么类型的多路开关？
⑵ ∵由表 3.5 可知， CD4051 的 ton 和 toff 都为 0.8μ s
1
1
6 625000 625kHz 6 10
6
1
切换频率为 25
t
s
（2）可选用 CD4501的多路开关，将 3 片 CD4501加以组合，用门电路组成地址译码
器
3 个选址信号，分别接各片的禁止端，扩展通道数为 2
4 个，选用其中 20 个。

第四章 测量放大器
4.1 为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？ 答：在数据采集系统中， 来自传感器的模拟信号通常很微弱， 远小于一般运算放大器的输入 失调电压和温漂电压。

因此这些信号不能用一般运放进行放大， 而必须用低温漂， 低失调电 压高稳定增益且抗共模干扰能力强的测量放大器进行放大。

4.2 设一数据采集系统有测量放大器， 已知 R 1=R 2=5k Ω，Rg=100k Ω，R 4=10k Ω，R 5=20k Ω，若 R 4和 R 5的精度为 0.1% ，试求次放大器的增益及 CMRR. 解： R3=R4=10000
问： 解：⑴ ∵ f C = 5 kHz ， 采样频率 f S 2f C 2 5 103 1 104
(Hz)
采样周期 T S 1
1 1
104 1
10 4
(s) 0.0001 ( s)
每个采样点的采样周期 T d
T
S
10
0.000
1
0 . 00001 (s)
1
∴切换速率 v
T
d 0.00001
100000(Hz) 100(kHz) 则 CD4051开关的切换时间为 1.6μs ,开关的切换速率 1.6
∴多路开关选择 C D4051。

3.4 某数据采集系统要求有 20 个模拟
通道， 阻不到 1 欧，各通道信号的频率为 2.5kHz, （1）开关的切换率应是多少？ （2）采用什么样的多路开关式信号电平范围为
要求每个采样周期至
100mv ，并要求开关的导通电 答：( 1) fc=2.5Hz ，fs 2f c 5Hz,T S
1
0.2s,t s
T
S
0.04s 5
∴当
又∵ RS = 100±15%
4.4 试分析图 4-2 测量放大器输入级两运放的输入失调电压大小对测量放大器性能指
标的 影响。

要提高测量放大器的性能，对其三个运放的性能有什么特殊要求？ 答：输入级 A1 A2 的失调电压互相抵消， A1 A2的特性不完全对称时其失调电压的参值。

经 过放大后被送往 A3，要提高测量放大器的性能应尽量使 A1 A2 的特性互相对称。

k1
2R 1 R 5
R
G R
3
1 2
5000 100 20000 202
10000
CMRR=20log
v
cm
v
in
20 log 202 20 2.305 46.1
4.3 设 AD521 测量放大器的增益为 100 ，试画出其接线原理图，算出外接电阻值的大小。

解：
当放大器的增益
当 RS = 100+15%时，
当 RS = 100-15%时，
4.5设计一个由 8301 单片机程控隔离放大器增益的接口电路。

已知输入信号小于
10mV ，要求当输入信号小于 1mV 时，增益为 1000 ，而输入信号每增加 1mV 时，其增益自动减至原来的 1/2.
第五章采样/ 保持器
5.1采样 /保持器在模拟信号频率很低时，是否有必要使用？在模拟信号频率很高时呢，为什么？
答：输入信号频率很低时，由于在 A/D 转换过程中模拟信号的电压几乎不变，因而不必使用采样保持器。

当模拟信号频率很高时，由于信号电平变化很快，必须使用采样保持器以稳定转换电平。

5.2采样频率 fs 高时，保持电容应取大些还是小些？
答：采样保持器的捕捉时间t AC受保持电容C H的影响，C H越大，t AC越长，当采样频率f S 很高时，必须使用较小的C H ，以减少t AC ，提高f S。

5.3采样 /保持器是否具有放大功能？其放大值由什么决定？答：采样保持器具有放大功能，通常其放大倍数由相关外接电阻决定。

5.4孔径时间t AP 影响 A/D 转换的什么参数
答：孔径时间t AP主要影响 A/D 转换的精度。

5.5捕捉时间 t AC 影响 A/D 转换的什么参数答：捕捉时间主要影响 A/D 转换的采样速率。

5.6设在某数据采集系统中，采样 /保持器的孔径时间t AP 10ns，A/D 转换器的位数为 12 ，
1
求：（ 1）采样精度能达到LSB的最高信号频率f max是多少？（ 2）若采样 /保持器的孔径
2
max
不定t AP 1ns，则最高信号频率f max 是多少？解：(1) f max 2n 1 t 3.89(kHz)
2 t
ap
(2) max
1
2n 1 (t ap 12t ap)
3.70(kHz)
③ 输入信号的最大变化率为
dU dt
max
?
f ?U m
由③有
dU
dt
3 3.1
4 1 10 3
10 3
31.4 103
(V)
m ax
由②有
1
LSB 2
dU dt
?
t CONV
(100 100 0.02 %) 10
10 10
5.7 一个数据采集系统的孔径时间 t AP 2ns ，试问一个 10kHz 信号在其变化率最大点被 采样时所能达到的分辨率是多少？
所以：
相对分辨率
则有 n ≈ 14
5.8 设一数据采集系统的输入满量程电压为 +10V ，模拟输入信号的最高频率是 1kHz ，采样 频率为 10kHz ， A ／ D 转换器的转换时间为 10 s ，采样／保持器的 tAP=20ns ，保持电 压的下降率为 100V/s ，捕捉时间为 50s 。

问：
⑴ 如果允许的孔径误差和下降误差都是 0.02% ，所选的采样／保持器能否满足要求？
⑵ 捕捉时间能否满足要求？
dt
② 保持电压下降率应满足
dU
?
t CONV
1
LSB dt
CONV
2
解：
解：(1) ① 由于采样 /保持器孔径时间应满足 t AP
1
LSB 2 dU
m ax
5
3.184 10 5
(ns)
t
AP
∴ 所选的采样／保持器不满足要求。

∴ 捕捉时间满足要求。

5.9 设一采样／保持器在保持阶段，保持电容 如果希望在保持时间内采样／保持器的输出电压下降小于
由于 1F ＝ 106μF ＝ 1012pF 则 CH> 0.1pF
第六章 模/ 数转换器
6.1 A ／D 转换时间 tCONV=25s ，最高采样频率 fS ≤ kHz ，对应的输入信 频率 fmax ≤ kHz 。

解： ⑴ 最高采样频率 fS ≤ ⑵ 最高频率 fmax ≤
解： e max
max
2
V)
由①有
t AP
99.98 10 11
31.4 103
3.184 10
14
t
AP
(2) ∵ t
AC t ST t CONV
T
S
则 t
AC
10
1 10
3
t
CONV
1
10 10 3
10 10 6
9 10 5
s
而
t AC
10
5
9 10
CH 的漏电流 ID=10nA ，保持时间为 0.1% ，试选择合适的 CH 10ns 。

解：
保持电压下降率为
U I D
T C H
最高
6.2 A/D 转换理想特性最大量化误差为多少
LSB ？
6.3AD574A 有哪些主要的控制信号？其意义如何？
解： 12/8 A o CS R/C CE （P90）
6.4A/D 转换器要能开始转换，必须具备哪几个条件（参考 AD574A 的启动时序图）？转换结束时 STS 有何变化？此变化有什么用途？
解：在CE上升沿之前，先有CS=0和R/C=0
转换回来时 STS由高变低，使变化可作为查询状态下的单片机的查询信号或中断公式下的中断触发信号。

6.512 位A／D转换器 AD574A 是如何与 PC 机ISA 总线的数据线接口（包括硬件连接、传输格式等）？（ P121 ）
6.6从 A／ D 转换时间考虑，什么情况下用查询方式好？什么情况下用中断方式好？答：当 A/D 转换时间较短（几十微秒以下）时，宜采用查询方式，而转换时间较长（ 100 微秒以上）时，宜采用中断方式，其理由是，采用查询方式时，在 A/D 转换期间，微机的 CPU 处于等待状态，降低了 CPU 的效率，而采用中断方式。

A/D 转换期间，微机的 CPU 可以去做其他工作，不会因 A/D 转换时间而影响 CPU 的效率，但是程序较复杂。

6.7设中断响应时间为。

（需要查询相关手册，肯定不考）
6.8一数据采集系统。

（需要查询相关手册，肯定不考）
6.9在 A／ D 转换器中，最重要的技术指标是哪两个？
答：精度和转换速度
6.10一般用什么信号来表征 A ／D 转换器芯片是否被选中？
答：若 A/D 转换器芯片为 AD574A，则以cs=0表示 A/D 转换器芯片被选中。

6.11设计题
6.12线性误差是什么意思？线性误差大于 1LSB 有何后果（对 A/D 转换器说明）？答：线性误差是指在没有增益误差和偏移误差的条件下，实际传输特性曲线和理想特性曲线
1
之差。

线性误差通常不大于2 LSB，因为线性误差是由 A/D 转换器特性随模拟输入信号
幅值变化而引起的，因此线性误差是不能进行补偿的。

6.13设计题
第七章数/ 模转换器
7.1DAC0832 芯片有哪几种工作方式，各有什么特点？解：三种工作方式：直通、单缓冲、双缓冲
1)单缓冲工作方式 : 一个寄存器工作于直通状态， 一个工作于受控锁存器状态 在不要求多相 D/A 同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换， 可以提高 D/A 的数据吞吐量。

2) 双缓冲工作方式 : 两个寄存器均工作于受控锁存器状态 当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。

7.2 D/A 转换器的线性误差是什么意思？线性误差大于 1LSB 有何后果？
解：线性误差是指 D/A 转换器芯片的转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差
7.3 12 位 D/A 转换器中， R=1K Ω ,R 0=2K Ω,U REF 10V ,问U OMAX =?
7.4 DAC1210 12 位 D/A 转换器与 8301 单片机接口 ,。

(不会)
7.5 一般用什么信号来表征 D/A 转换器芯片是否被选中？ 一般用 (
CS =0)信号来表征Ｄ /Ａ转换器芯片是否被选中。

7.6 多于 8 位的 D/A 转换器在和 8 位微机接口时，如何解决数据传送问题？
(P150 )
第八章 数据的接口板卡采集
8.1 什么是数据采集接口板卡？( P153 )
8.2 采用数据采集接口板卡有什么好处？一般在什么情况下采用？ (P153)
8.3 现有一 BASIC 语句为“ U = (H * 256 + L) *10 / 4096 ”，试问该语句完成什么任务？语 句中的“ H * 256 + L ”部分起什么作用，为什么要“ H * 256 ”？ 解：⑴ 将 12 位二进制码转换成十进制数。

⑵ “H*256+L ”是将高四位二进制码与低八位二进制码组合成 12 位二进制码； ⑶ 高四位二进制码上移八位，所以 H*256 。

8.4 用 PC -6319 接口板卡的 0、1、2 通道分别采集 1 节、 2 节、3 节干电池的电压数据， 要求每个通道各采集 10 个数据，3 个通道巡回采集。

设定 PC-6139 接口板基地址为 0100H ， 试用 QUICK BASIC 语言编写双端输入、程序查询方式取数的数据采集程序，并将采集到 的数据以“ V ”为单位，按通道号显示在屏幕上。

解： 3 个通道巡回采集是指在每个采样时刻，对 3 个通道各采集一次数据。

CLS
N = 10
DIM U1(N) , U2(N) , U3(N)
FOR I = 1 TO N
CH% = 0
CALL CAIJI (CH%, U)
U1(I) = U
CH% = 1
CALL CAIJI (CH%, U)
解：当 D=111 1时， U Omax (2n 1)U REF
2n
Omax
(212 1) 10
212 9.997V
U2(I) = U
CH% = 2
CALL CAIJI (CH%, U)
U3(I) = U
NEXT I
PRINT " U1 " , " U2 " , " U3 "
FOR I = 1 TO N
PRINT U1(I) , U2(I) , U3(I)
NEXT I
END
SUB CAIJI (CH%, U)
ADDER% = &H100
A = INP(ADDER%+3)
OUT ADDER%, CH%
OUT ADDER%+1, 0
10 IF INP(ADDER%+2) >=128 THEN 10
H = INP(ADDER%+2)
L = INP(ADDER%+3)
U = (H*256+L)*10 / 4096 - 5
END SUB
8.5用 PC - 6319 接口板卡的 0、 1、2 通道。

(程序设计)
8.6用 PC -6319 接口板卡来采集温室大棚的温度数据，要求在 24 小时内以每 10 分钟的间隔采集数据一次。

设定 PC -6319 接口板基地址为 0100H ，程控放大器增益为 1，试用 QUICK BASIC 语言编写单端输入、程序查询方式取数的数据采集程序，并将采集到的数据以“℃”为单位显示在屏幕上。

解：∵ 24 小时 = 1440 min = 86400 s
∴ 24 小时内一共采集 144 个数据。

另外，设温度传感变送器的测量范围为 -5～ 55℃，输出 0～ 5V 直流电信号。

则 Quick Basic 程序如下。

DIM WD(144)
DIM SHARED SUM%, J%
CLS
ADDER%=&H100
A=INP(ADDER%+3)
CH=0
J%=1
OUT ADDER%, CH
FOR I=1 TO 300 : NEXT I
TIMER ON
10 ON TIMER(600) GOSUB 100
IF SUM% >= 86400 THEN END GOTO 10
END
100 OUT ADDER%+1, 0
FOR I=1 TO 300 : NEXT I
110 IF INP(ADDER%+2)>=128 THEN 110
H = INP(ADDER%+2)
L = INP(ADDER%+3)
U = (H*256+L)*10 / 4096
WD(J%)= - 5 + 60／5 * U
PRINT “ WD( ”; J%; “)=”; WD(J%); “℃”
SUM%= 600 * J%
J% = J%+1
RETURN。