测控技术第五章精选PPT.ppt
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1、测控技术第五章第1页,此课件共62页哦一、引言1、计算机在数字化测控系统中的作用、计算机在数字化测控系统中的作用 把计算机(微处理器)应用于各种物理量的测试和控制,就形成了形式多样的数字化测控系统。计算机在系统中的作用主要体现在以下几方面。(1)使测试自动化(2)提高测试精度(3)通过数据变换实现多功能的测试(4)降低了测试系统成本(5)提高了系统的可靠性第2页,此课件共62页哦 在数字化的测控系统中,一般首先通过A/D将实际模拟物理量转换为数字量进行测量,测量结果由计算机通过接口电路将数字量直接显示,或用D/A转换器把数字量恢复成模拟量,显示或记录。一般说来,用来处理模拟信号并将其转换成数字
2、量的电子系统为数据采集系统(DAS),而把数字量转换成等效的模拟信号,并传送到指定模拟设备的电子系统为数据分配系统(DDS)。第3页,此课件共62页哦二、数据采集系统 从信息源处采集到所需的信息,然后把信息转换成适于分析和操作的形式的过程称为数据采集。数据采集系统的基本结构形式如图所示。1、典型的数据采集系统典型的数据采集系统 第4页,此课件共62页哦 一般说来,数据采集系统通常由传感器,信号调节与处理(信号调理)电路,采样与保持(S/H)电路,A/D转换电路,测控接口以及计算机(微处理器)等组成。(1)信号调理电路)信号调理电路 信号调节的主要作用是使传感器输出信号与A/D转换器相适配,信号
3、处理的作用包括滤波、压缩频带,用以降低采样率,阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、信号线性化等等。一般说来,对弱信号测试来说,放大与滤波是最基本的环节。第5页,此课件共62页哦(2)A/D电路电路 它的作用是将模拟量转换为数字量。A/D电路的位数、精度决定整个系统的性能。典型系统中,各通道共享一个AD转换器,其优点是以较低的成本来采集多路信号,但缺点是精度低。这是因为模拟多路切换开关并非是理想开关,易受失调电压、开关噪音、非线性和信号之间窜扰的影响。因此,各路信号及其干扰都会或多或少地窜到AD的输入端。第6页,此课件共62页哦2、分散型数据采集系统分散型数据采集系统 此方案的特点是各通道独自各有一
4、个AD转换器。因此进入数字多路开关的信号都是位串行的数字信号,抗干扰能力强。这种系统各通道互不影响,各自独立。第7页,此课件共62页哦3、数据采样系统中主要考虑的问题数据采样系统中主要考虑的问题(1)系统的采样速率:表示了系统的实时性能。系统的采样速率取决于模拟信号的带宽、数据通道数和最高频率下每个周期的采样数等。为了保证数据的采样精度,一般要求:*在A/D转换前必须设置抗混叠低通滤波器,以消除信号中影响采样频率的高频分量;*采样频率应该45倍于信号中可能的最高频率;*对于要直接显示或记录的信号波形,采样频率应更高一些。第8页,此课件共62页哦(2)孔径误差孔径误差 A/D完成转换所需要的时间
5、称为孔径时间。一个动态信号在孔径时间内会发生变化,从而引起输出的不确定误差,这个误差称为孔径误差。(3)系统的转换时间)系统的转换时间 系统的转换时间决定了系统的动态特性。它由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定和转换时间等来决定。第9页,此课件共62页哦(4)系统的转换误差系统的转换误差 系统的转换精度取决于电路中各部分的精度影响之和。影响转换精度的主要器件是模拟多路选择器的误差,输入放大器的误差,采样/保持电路的误差和A/D转换器的误差等。一般说来,上述误差之总和应该小于或等于A/D转换器的量化误差。总之,影响数据采集系统的因素很多,最关键的
6、是A/D的采样工作频率与带宽、位数、转换时间。第10页,此课件共62页哦三、采样的基本概念 采样(sampling)也称取样或抽样,是数字信号处理的基础。信号采样的质量将决定信号处理系统的性能。采样的一些基本概念如下。1、采样频率的选取采样频率的选取 按照采样定理,如果信号本身的频带是有限的,而采样频率 fs 2f m,则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。实际上,为了保证信号质量,选用的采样频率fs=410fm。第11页,此课件共62页哦 采样信号在两种情况下,将产生频谱混叠现象:其一,信号频谱为有限带宽,频谱混叠是由采样频率过低造成的。这时,采样信号的频谱犹如在fs/2处发生折
7、叠一样,其示意图如下图所示。fm=fm 2(fm fs/2)=fs fm 第12页,此课件共62页哦 对一个带宽为25kHz的系统中的一个25kHz信号,如果采样频率取为33.3kH z,则采样恢复信号的频谱中将包含8.3kH z的频率成分(差频)。虽然原来信号并不包含此频率成分,采样后却出现了这一频率分量,即发生了混叠现象。第13页,此课件共62页哦 其二,连续信号频谱为无限带宽,频谱混叠不可避免。要采集一个信号波形,当包含的频率分量高于采样频率时,则这些较高的频率分量就将混入低于采样频率的低频分量中。对于频域无限信号,为消除输入信号中杂散分量频率过高的影响,通常可以在采样处理前,先加一个截
8、止频率为fs/2的低通滤波器,称为“抗混叠滤波器”,让输入的连续时间信号先通过预采样滤波器,把频域无限信号转换为带限信号,来保证输入信号不致于超过规定的最高频率。第14页,此课件共62页哦 如图所示加预采样滤波器的数字信号处理系统框图。第15页,此课件共62页哦2、实时采样与变换采样实时采样与变换采样 有两种基本的数字化采样方式可供选择:实时采样与变换采样。变换采样又可分为时序变换采样和随机变换采样。第16页,此课件共62页哦(1)实时采样实时采样 在被采样信号的一次有效持续时间内,取出无失真地复现原信号所必需的全部样本,这种采样称为实时采样。实时采样是在与信号所在的同一时间刻度上进行的。实时
9、采样具有如下的特点:*采样脉冲的重复频率必须比被采样信号的重复频率高;*采样脉冲、样本的形成是在被采样信号的同一时间刻度上,因此由样本组成的复现信号的时间与被采样信号的时间值相同。第17页,此课件共62页哦 实时采样的缺点:*必须在一次有效的持续时间内取出足够多的样本,因此要求采样脉冲的重复频率必须高,当被采样信号为窄脉冲时,高频采样脉冲产生困难;*经过实时采样后,信号频谱比原来的频谱有增加,因而实时采样对采样系统的频带要求更加严格。第18页,此课件共62页哦2、变换采样(等效时间采样)变换采样(等效时间采样)变换采样在周期信号或在可重现信号的每一个信号上或每隔整数个信号上取出一个采样值,由取
10、出的样品重新组成一个信号,新组成的复现信号的形状与原来信号形状相似,并且在时间刻度上比原信号增长了若干倍。变换采样可分为顺序变换采样和随机变换采样两种。在顺序采样中又可分为步进采样、步退采样和差频采样三种。第19页,此课件共62页哦 如图为步进采样的示意图。采样脉冲周期 Ts=NT+t 若完成整个信号事件采样需要m个采样点,则复现信号时间 tr=mTs=m(NT+t)第20页,此课件共62页哦 顺序变换采样的特点是采样点沿着时间轴的正方向或反方向移动,有一定的顺序性。随机变换采样从信号上取出样本的位置不是按着时间轴的某一方向顺序排列的,而是不定的随机排列。随机采样的采样脉冲与被测信号不相关,其
11、样点在信号波形上的位置是随机的,但在信号复现时,必须反映原信号的变化规律,因此在采样过程中应该同时记录各采样点在信号波形上的相对位置。第21页,此课件共62页哦 随机采样的时间样本的初始位是可以任意选用的,克服了顺序采样中的固有延迟的限制,避免在采样系统中采用延迟线,变换采样系统的频率响应往往由于延迟线的频率特性不良而受到限制。随机采样的缺点*不能采用反馈系统来稳定灵敏度和增加动态范围;*由于采样的随机性,使采样脉冲不能充分利用;*随机采样主要用于超高频信号。第22页,此课件共62页哦变换采样的特点:*在一个信号或多个信号上只能取出一个样本,因此要取出完整的波形,必须对重复比现的信号进行多次采
12、样;*样本所组成的复现信号的时间刻度发生了变化,使变换时间增加;*变换采样的过程是一个同步积累的过程,因此大大提高了信噪比;*变换采样只在采样的局部装置上要求频带宽度,而在样本处理部分则是低频信号,没有更高的频响要求,因此大大的降低了对整个系统的频率特性的要求。第23页,此课件共62页哦变换采样存在的问题:*变换采样不适用于非重复性的单次信号;*变换采样不适用于重复频率太低的信号。第24页,此课件共62页哦3、数据采集过程的误差 在模拟信号的采样和量化以及转变为二进制数的过程中,误差是不可避免的。(1)量化误差量化误差 一个模拟信号xa,经过采样、量化产生一个数字信号x d。xd一般为n个二进
13、制数序列,那么这个数的最低位代表的数值就决定了序列的精度。第25页,此课件共62页哦 用量化电平Q对一个模拟量进行比较的过程称为量化。比较的结果分为两部分:整数部分:量化电平Q的整倍数。余下部分:不足一个Q的部分,即为量化误差。用数字表达式说明:完整的信号受二进制字长的限制 忽略的bn+1,bn+2,项表示了量化误差。第26页,此课件共62页哦 量化后的样本表示为 xd=xa+e(n)一般可以认为量化误差是随机量,在量化误差范围内,量化误差的概率分布是均匀分布,量化误差的均方差为 设输入信号功率为x2,噪声功率为e2,则信噪比SNR为 第27页,此课件共62页哦或表示为 从上式可以看出,若要提
14、高信噪比,除增大x2外,把字长增加1位,信噪比也可改善6dB。一般,在量化器前,将信号乘以衰减因子A(0 A 1),以避免输入信号超出量化器的动态范围而出现限幅现象。这时输入信号将变为AX,相应的功率为A2x2,此时信噪比为第28页,此课件共62页哦【例5.1】一般语言信号在0处有峰值,而且采样的样本值超过信号均方根34倍的很少,因此,一般取A=1/4x,这时出现限幅的概率很小。若要求信噪比SNR80dB,求这时所需的字长。解:得:n=14(位)第29页,此课件共62页哦(2)孔径误差孔径误差 如果在A/D的转换时间TCONV内,输入模拟信号仍在变化,此时进行量化会产生一定的误差。因此,输入信
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