数据采集与处理技术章.pptx

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1、三、从干扰产生和传播的方式划分三、从干扰产生和传播的方式划分1、静电干扰静电干扰实际是电场通过电容耦合的干扰。从电路理论可知，电流流经一导体时，导体产生电场，这个电场可交连到附近的导体中，使它们感生出电位，这个电位就是干扰电压。从交流电路传输来看，干扰起因于导体与导线之间、元件之间的寄生电容。外部噪声源与导体之间的寄生电容耦合到电路，造成对电路的干扰。数据采集电路外部噪声源第1页/共43页2、磁场耦合干扰、磁场耦合干扰磁场耦合干扰是一种感应干扰。在连接信号源的传输线经过的空间总存在着交变电磁场。在诸如动力线、变压器、电动机、继电器、电风扇等附近，都会有这种磁场。这些交变的磁场穿过传输线形成的回

2、路，将在传输线上或闭合导线上感应出交流干扰电压。3、电磁辐射干扰在工厂内，各种大功率高频、中频发生装置以及各种电火花机床，都将产生高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰源。辐射能量是以与通信接收机接收无线电频率能量相同的方法耦合到电路中而产生干扰。数据采集电路磁场感应电流第2页/共43页4、电导通路耦合干扰、电导通路耦合干扰 电导通路是指构成电回路的通路。电导通路耦合干扰是由各单元回路之间的公共阻抗干扰。由于接地电位不同而造成的干扰为这类干扰的主要表现形式。在数据采集系统中，“地”有两种含义：一是指大地，它是系统中各个设备的自然参考电位，二是指一个设备内部电源的参考电位。如果一个仪器的地线

3、不与大地连接，则称为“浮地”，否则称为接地。理想情况下，电路中不同接地点间电位差为零，即地阻抗为零。实际上大地的电位并不是恒定值，在不同的地之间存在着电位差，尤其在高压电力设备附近，大地的电位剃度可以达到每米几伏甚至几十伏。由于非零的公共阻抗将会给电路带来干扰，它主要发生在远距离信号传输中两端仪器接地的情况下。2B1AI第3页/共43页5、漏电耦合干扰、漏电耦合干扰漏电耦合干扰是由于仪器内部的电路绝缘不良而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰，如图所示。在高输入阻抗器件组成的系统中，其阻抗与电路板绝缘电阻可以比拟，通过电路板产生漏电流，将形成干扰。ABRmUiUm第4页/共43页四、从干扰输入

4、信号的关系划分四、从干扰输入信号的关系划分1、串模（差模）干扰把干扰信号与被测信号串联在一起。产生外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容|耦合进传感器的一端；原因电源交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。2、共模干扰指在信号地和仪器地（大地）之间产生的干扰。A、B两端叠加的干扰电压相同。数据采集电路UsUNUsNUsN=Us+UN在对地阻抗呈理想对称的传感器和放大器输入电路中，共模干扰理论上并不会引起数采误差。差分放大器的两输入端A、B具有相同的幅值和电位。但实际上，由于数据传输回路、导线和放大器输入回路的电阻R或电容C对地呈非对称性，共模干扰电压将通过接地回路中的接地干扰电压转换成干扰程度不同的

5、差模电压。数据采集电路SNA信号地仪器地B第5页/共43页共模干扰产生原因：共模干扰产生原因：数采系统附近有大功率的电气设备、电磁场以L/C形式耦合到传感器和传输导线中；电源绝缘不良而引起漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大电流时，存在较大的地电流和地电位差。若系统有两点以上的接地点，则地电位差就会造成共模干扰；电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过R漏耦合到采集系统的信号回路，形成干扰；在交流供电的仪器中，交流电会通过原副边绕组间的寄生电容、整流滤波电路或信号电路与地间的寄生电容 地构成回路，形成干扰。第6页/共43页10.2 供电系统的抗干扰供电系统的抗干扰数据采集中的设备大多使用

6、220V，50Hz的市电，由于我国电网的频率与电压波动较大，都会直接对数据采集系统产生干扰，因此必须对数据采集系统的供电采取一些抗干扰措施。1、采用隔离变压器一般说来，电网与数据采集系统分别有各自的地线，在应用中，如果直接把数据采集系统与电网相连，两者的地线之间存在地电位差，如图所示，由于地电位差的存在而形成环路电流，造成共模干扰。数据采集系统电源电网第7页/共43页因此数据采集系统必须与电网隔离，通常采用隔离变压器进行隔离。考虑到高频噪声通过变压器不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合。因此隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，以减少其寄生电容，提高抗共模干扰能力。数

7、据采集系统与电网的隔离如图所示。数据采集系统的地接入标准地线后，由于采用了隔离变压器，使电网地线的干扰不能进入系统，从而保证数据采集系统可靠的工作。数据采集系统电源电网隔离变压器1、采用隔离变压器、采用隔离变压器第8页/共43页2、采用电源低通滤波器、采用电源低通滤波器由于电网的干扰大部分是高次谐波，故采用低通滤波器来消除大于50Hz的高次谐波，以改善电源的波形。为避免低通滤波器进入磁饱和状态，需要在干扰进入低通滤波器前加以衰减，为此，常在电源低通滤波器前，加设一个分布参数噪声衰减器。使用低通滤波器时，应注意以下几点：低通滤波器本身应屏蔽，而且屏蔽盒与系统的机壳要保持良好的接触。为减少耦合，所

8、有导线要靠近地面进行隔离。低通滤波器的输入与输出端要进行隔离。低通滤波器的位置应尽量靠近需要滤波的地方，其间的连线也要进行屏蔽。3、采用交流稳压器 用来保证交流供电的稳定性，防止交流电源的过压或欠压。对于数据采集系统来说，这是目前最普遍采用的抑制电网电压波动的方法，在具体使用时，应保证有一定的功率储备。第9页/共43页4、系统分别供电、系统分别供电为了阻止从供电系统窜入的干扰，一般采用如图所示的供电线路，即交流稳压电源串接隔离变压器、分布参数噪声衰减器和低通滤波器，以便获得较好的抗干扰效果。当系统中使用继电器、磁带机等电感设备时，向采集系统电路供电的线路应与继电器等供电的线路分开，以避免在供电

9、线路之间出现相互干扰。交流稳压器隔离变压器分布参数衰减器低通滤波器直流稳压器至电路数据采集220V交流稳压器隔离变压器低通滤波器至继电器磁带机等交流稳压器隔离变压器分布参数衰减器低通滤波器直流稳压器至电路数据采集220V第10页/共43页5、采用电源模块单独供电、采用电源模块单独供电近年来，在一些数据采集板卡上，广泛采用DC-DC电源电路模块，或三端稳压集成块组成的稳压电源单独供电。采用单独供电方式，与集中供电相比，具有以下一些优点：每个电源模块单独对相应板卡进行电压过载保护，不会因某个稳压器的故障而使全系统瘫痪。有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，大大提高供电系统的可靠性，也有

10、利于电源的散热。总线上电压的变化，不会影响板卡上的电压，有利于提高板卡的工作可靠性。第11页/共43页6 6、供电系统要合理布线、供电系统要合理布线在数据采集系统中，电源的引入线和输出线以及公共线在布线时，均需采取以下抗干扰措施：(1)电源线前面的一段布线从电源引入口，经开关器件至低通滤波器之间的馈线，尽量用粗导线。(2)电源后面的一段布线 均应采用扭绞线，扭绞的螺距要小。如果导线较粗，无法扭绞时，应把馈线之间的距离缩到最短。交流线、直流稳压电源线、逻辑信号线和模拟信号线、继电器等感性负载驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。(3)电路的公共线电路中应尽量避免出现公共线，因为在公共线上，某一负载

11、的变化引起的压降，都会影响其他负载。若公共线不能避免，则必须把公共线加粗，以降低阻抗。第12页/共43页10.3 模拟信号通道的抗干扰模拟信号通道的抗干扰其干扰主要是因公共地线所引起，其次，当传输线路较长时，还会受到静电和电磁波噪声的干扰。为此干扰将严重影响采样信号的准确性和可行性，因此必须予以消除或抑制。一、采用隔离技术隔离干扰隔离干扰从电路上把干扰源与敏感电路隔离部分开来，使他们之间不存在电的联系，或削弱他们之间的电的联系。1、光电隔离利用光电耦合器件实现电路上的隔离。用于系统与外界的隔离 用于系统电路之间的隔离传感器数据采集电路光电耦合器电路I电路II光电耦合器UCM2、电磁隔离在传感器

12、与采集电路之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。第13页/共43页二、采用滤波器滤除干扰二、采用滤波器滤除干扰滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适用于抑制经导线传导耦合到电路中的噪声干扰。Notes:在信号间采用R-C法滤波，会对信号造成一定损失，对于微弱信号，当采用些法抑制干扰时，应注意这一点。三、采用浮置措施抑制干扰浮置指数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。对于被浮置的数据采集系统，数据采集电器机壳或大地之间无直流联系。Notes:浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路。数据采集系统被浮置后，明显加大了系统信号放大器公共

13、地与地(或 机壳)之间的阻抗。因此，大大减小共模干扰电流。浮置同样能抑制直流共模干扰。只有在对电路要求高，并采用多层屏蔽的条件下，才采用浮置技术。采集电路的浮置应该包括该电路的供电电源，即这种浮置采集电路的 供电系统应该是单独的浮置供电系统，否则浮置将无效。输入接口电路RUCMCZ第14页/共43页四、长线传输的抗干扰措施四、长线传输的抗干扰措施在长线传输信号时，除因空间感应引入的干扰外，还会因传输线两端阻抗不匹配而出现信号在传输线上反射的现象，并可能在短时间内多次反射。多次反射会形成非耦合性的干扰，使信号波发生畸变。因此，在用长线传输信号时，抗干扰的重点应是防止和抑制非耦合性（反射畸变）干扰

14、。从技术上讲，主要解决两个问题：阻抗匹配、长线驱动。1、长线干扰的特点(1)长线的定义Lmax=tV/nt系统所用逻辑电路器件或组件的上升时间；V 速度，取V=2.5108 m/sn 经验数据，一般取n=4。(2)长线传输信号时遇到的问题对信号的传输速度有延迟。单位长度上传输延迟为：架空单线3.3 ns/m；双绞线5 ns/m；同轴电缆6 ns/m；高速的信号脉冲波在传输过程中会产生畸变和衰减，引起非耦合性干扰。长线传输易受到外界和其他传输线的干扰。(3)长线的波阻抗Z0长线由于存在寄生电容C寄(用电容/单位长度表示)长线的波阻抗寄生电感L寄(用电感/单位长度表示)第15页/共43页(2)脉冲

15、波在长线上引起的反射脉冲波在长线上引起的反射分析：若Z0=RS=RL，则；1=2=0 无任何反射 若Z0=RS，则；1=0 =12=0 无反射，(1=0表示始端阻抗匹配)若Z0=RL，则；2=0 =12=0 无反射，(2=0表示终端阻抗匹配)传输线终端具有不同负载电阻RL下的反射系数，如表所示：Z0RSUSX=0X=LRL反射系数 =12其中1 始端发射系数2 终端发射系数RL0(短路短路)0 RL Z0RL=Z0Z0 RL(开路开路)电压反射系数电压反射系数KU-1(全反射全反射)-1KU000KUKI000KI-1-1(全反射全反射)当传输线终端不匹配时，信号便被反射；反射波到达始端时，若

16、始端也不匹配，同样又产生反射，这就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况。第16页/共43页总结：总结：当传输线终端匹配(RL=Z0)，传输的信号电压波没有反射，电流平稳地进入负载。当传输线始端匹配(RS=Z0)，终端的反射波=入射波，反射波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，整个传输线被充电而达到稳态，不再反射。当终端电阻RLZ0，传输线上的电压产生过冲，并在稳定值附近产生振荡，最后趋向稳定值。当终端电阻RLZ0，传输线上的电压不再过冲，逐渐恢复到稳定值稳定值。第17页/共43页2、长线传输信号的抗干扰措施、长线传输信号的抗干扰措施(1)阻抗匹配(阻抗匹配的好坏，直接影响长线上信号的反射的强弱

17、)始端匹配a.始端串联电阻匹配通过在始端串接电阻，增加长线的特性阻抗，以达到与终端阻抗匹配。一般取R=Z0-RS74LS2074LS20R(=100)b.始端上拉电阻或阻容匹配始端上拉电阻用于吸收一部分终端的反射波。阻容匹配静态时 C 隔直，上拉电阻R对传输线开路 动态时 当信号从高低电平，C向传输线放电，以抵消反射波起作用R (3304.7k)+5VR 220+5VC 43pF第18页/共43页终端匹配终端匹配a.终端并联电阻匹配R1R2UccRER应等于传输线的波阻Z0，E一般取输出高电平时的电压值，如2.8V左右若R2小，则低电平拉入电流大，而使输入的低电平拉高若R1小，则使流入电流增大

18、，降低了高电平一般要权衡考虑。例如：取R1=330，R2=470 b.终端阻容匹配当C较大时，ZC=0，只起隔直作用，不会影响阻抗匹配。因此，只要R=Rp即可CRRpT 传输信号脉冲宽度|R1 始端低电平输出阻抗(约20)|Rp 长线特性阻抗R 匹配电阻第19页/共43页终端匹配终端匹配c.终端接钳位二极管匹配好处由于把B门输入端的低电平钳至0.3V以内，可减小反冲和振荡现象。|有了二极管，可吸收反射波，减小波的反射现象。大大减小线间串扰，提高动态抗干扰能力。AB(2)长线驱动长线如果用TTL电路直接驱动，有可能使电信号幅值不断减小，抗干扰能力下降的特性阻抗，以达到与及存在串扰和噪声，结果使电

19、路传错信号。因此，在长线传输中，需要采用驱动电路和接收电路。选通TTL电平始端匹配电阻驱动电路接收电路终端匹配电阻TTL电平禁止端驱动电路将TTL差分信号，再经长线传至接收电路。(禁止端的使用)接收电路具有差分输入端，接收到信号放大后，转换成TTL信号输出。差动放大器有很强的共模抑制能力，且工作在线性区，易做到阻抗匹配。第20页/共43页(3)用光电耦合器隔离、浮置传输线用光电耦合器隔离、浮置传输线当传输线很长或数据采集现场干扰十分强烈时，为进一步提高信号传输的可靠性，可以通过光电耦合器将传输线隔离和完全浮置起来。浮置是指去掉传输线两端之间的公共地线。(由于传输线两端不共地，也就阻断了地环路，

20、从而消除了地电位差带来的共模干扰。)3、传输线的使用长线传输时，有很多类型的传输线可供使用。(1)屏蔽线可有效克服静电感应的干扰。Notes：屏蔽层要一端接地，另一端悬空。接地点一般可选择在数据采集设备的接地点上。传感器数采电路第21页/共43页3 3、传输线的使用、传输线的使用、传输线的使用、传输线的使用(2)同轴电缆电流I由信号源(+I)电缆中心导体接收电路(-I)屏蔽层信号源I和-I产生磁场相互抵消。它在电缆屏蔽层的外部产生的磁场=0同时，外电场对同轴电缆内部的影响=0Notes：一定要把屏蔽层两端都接地。(3)双绞线与同轴优点Z0高，体积小，价低可消除电磁场干扰电缆缺点传送信号的频带窄

21、双绞节距越短，电磁感应干扰越小Notes：双绞线中途不能接地。总结：抑制静电干扰应该用屏蔽线抑制电磁感应干扰应该用双绞线。(4)扁平带状电缆虽然它的抗干扰能力比双绞线差一些，但由于很实用，因而广泛使用。扁平带状电缆的导线较细，当长距离传输时，用它作地线，地电位会发生变化。最好采用双端传送信号；当采用单端传送信号时，每条信号线应配有一条接地线。第22页/共43页五、五、ADC抗干扰抗干扰1、ADC的抗干扰措施(1)抗串模干扰的措施在串模干扰严重的场合，可用积分式/双斜积分式ADC。对于高频干扰，可用低通滤波器加以滤除；对于低频干扰，可用同步采样的方法加以滤除。尽量把ADC直接附在传感器上，传输线

22、引入的干扰。当传感器与ADC距离较远时，容易引起干扰。解决方法：用电流传输代替电压传输。（电流型传感器）(2)抗共模干扰的措施采用三线采样双层屏蔽浮置技术。三线采样将信号线和地线一起采样。实验表明：这种双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。Notes：a.要注意屏蔽层的接法，否则会引起干扰。b.AD的电流应自成系统，不能与大地相接。采用隔离技术。采用电容记忆法，ADC工作在脱离信号连线的情况下。利用屏蔽法来改善高频共模抑制比。第23页/共43页五、五、ADC抗干扰抗干扰2、ADC的位置的确定(1)靠近微机放置由于ADC远离采集现场，模拟信号传送线路较长，分布参数以及干扰的影响，易引起模拟信号的

23、衰减，直接影响AD转换的精度。(2)靠近采集现场放置优点模拟量传输线较短 AD转换的精度 长线传输数字量 抗干扰能力 保证信号传输精度缺点并行传输 传输线多 串行传输 传输速度慢另对AD的控制不方便。传感器微机A/DI/O接口模拟量传输线传感器微机A/DI/O接口数字量传输线控制线第24页/共43页六、印刷电路板及电路的抗干扰设计措施六、印刷电路板及电路的抗干扰设计措施1、合理布置印刷电路板上的器件原则：电气干扰小，易于散热。2、合理分配印刷电路板插脚3、印刷电路板合理布线4、电源线布置5、印刷电路板接地线设计6、印刷电路板屏蔽屏蔽线 屏蔽环7、去耦电容器的配置8、数字电路的抗干扰措施采用积

24、分 电 路抑制干扰|采用脉冲隔离门抑制干扰 采用削 波 器抑制干扰 第25页/共43页10.4 10.4 接地问题接地问题接地问题接地问题接地问题在数据采集系统抗干扰占有非常重要的位置，可以这样说，如果把接地问题处理好，就解决了数据采集系统中的大部分干扰问题。一、数据采集系统中地线的类型1、信号地模拟信号地模拟电路的零电位基准。(如A/D、S/H等)|数字信号地数字电路的零电位基准，又称逻辑地。信 号 源 地信号源(传感器)的零电位基准。2、功率地 是指大电流网络部件的零电位基准。3、屏蔽地 又称机壳地，是为了防止静电感应和电磁感应而设计的。4、交流地 是指交流50Hz电源的地线5、直流地 是

25、指直流电源的地线第26页/共43页二、接地问题的处理二、接地问题的处理二、接地问题的处理二、接地问题的处理实践证明，数据采集系统受到的干扰与系统的接地有很大关系，接地往往是抑制干扰的重要手段之一。良好的接地可以很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，如果接地处理不当，将会导致噪声耦合，产生干扰。因此应该重视接地问题。通常在考虑数据采集系统接地时，应遵循以下接地原则：1、一点接地原则 任何导体，包括大地在内，都有电阻抗，当其中流过电流时，导体中呈现出电位。如果数据采集系统在两点接地，由于大地各地电位很不一致，因而两个分开的接地点很难保证有等电位，造成它们之间

26、有一电位差，形成地环路电流，从而对两点接地电路产生干扰，这时地电位差是采集系统输入端共模干扰的主要来源。如果在信号输入端一点接地，就可以有效地避免共模干扰。在低频情况下，由于信号线上分布电感不是大问题，故往往要求一点接地。一点接地的形式可以分为以下两种：第27页/共43页(1)串联一点接地串联一点接地子系统1I1R1子系统2I2R2子系统3I3R3ABC其中，R1、R2、R3分别表示各地段的等效电阻。显然，A、B、C各点的电位不为零，而是 UA=(I1+I2+I3)R1 UB=(I2+I3)R2+UA UC=UA+UB+I3 R3由此可见，串联一点接地存在着各接地点电位不同的问题，将造成子系统

27、之间的相互干扰。但是由于这种接地方式布线比较简单，现在仍在使用，不过应满足下述条件：、各子系统的对应电位应相差不大。当各子系统对地电位相差很大时不能使用，因为高地电位子系统将会产生很大的地电流，经共接地线阻抗对低地电位子系统产生很大的干扰。、应把低地电位子系统放在距离接地点最近的地方。第28页/共43页模拟子系统1I1R1模拟子系统2I2R2数字子系统1I3R3ABC小信号地线大信号地线高电平数字地数字子系统2I4R4D低电平数字地各子系统建立一个独立的接地线路，然后各子系统并联一点接地。各子系统的地电位仅与本子系统的地电流和地电阻有关，即：UA=I1 R1 UB=I2 R2 UC=I3 R3

28、 UD=I4 R4各子系统的地电流之间不会形成耦合，因此没有共接地线阻抗噪声影响。这种接地方式对低频电路最为适用，共接地线噪声得以有效抑制。Notes：避免数字信号耦合到模拟信号的一条基本原则是：电路的全部模拟地与数字地仅仅在一点相连。(2)并联一点接地并联一点接地第29页/共43页R1电路1L1R2电路2L2R3电路3L32、多点接地原则、多点接地原则每个电路的接地线要尽可能降低其阻抗，即接地线越短越好，因而每个电路应就近接地。这样由于地线很短，阻抗又低，可以防止高频时地线向外辐射噪声，由于地线阻抗低起且互相远离，大大减小了噪声的磁场耦合和电场耦合。一般说来，频率低于1MHz时可以使用一点接

29、地方式，当频率高于10MHz时，应采用多点接地方式，频率在1MHz-10MHz之间，如用一点接地时地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。如前所述，并联一点接地方式仅适用于低频电路，不能适用于高频电路，这是因为许多根相互靠近又很长的地线，对于高频信号会呈现出电感而使地线阻抗增大，也会造成各地线之间的磁场耦合。因此在高频电路中不能采用一点接地，应该采用多点接地方式。多点接地方式如图所示：第30页/共43页在采用一点接地的数据采集系统中，不同性质接地线应采取以下原则连接：在弱信号模拟电路、数字电路和大功率驱动电路混杂的场合，强信号地线与弱信号地线应分开，模拟地与数字地应分开，高电平数字

30、地与低电平信号地应分开，各个子系统的地只在电源供电处才相接一点入地。只有这样才能既保证几个地线系统有统一的地电位，又避免形成公共阻抗。4、接地线应尽量加粗的原则 因为接地线越细，其阻抗越高，接地电位随电流的变化越大，致使系统的基准电平信号不稳定，导致抗干扰能力下降，所以接地线应尽量加粗。3、不同性质接地线的连接原则、不同性质接地线的连接原则第31页/共43页10.5 10.5 微机总线的抗干扰措施微机总线的抗干扰措施微机总线的抗干扰措施微机总线的抗干扰措施微机总线性能的可靠性直接关系到整个数据采集系统的可靠性。总线的接收，尤其是从一块印刷线路板到时另一块印刷线路板之间的传送接收，由于总线信号线

31、上存在寄生电容，总会耦合一些干扰；另外，这些额外电容的作用，使得总线信号产生延迟。所以为了提高总线接收的抗干扰性能，一般在接收端配有缓冲器(又称总线驱动)，其中施密特触发器组成的缓冲器能有效地将干扰滤除掉。抑制总线浮空干扰的措施在数据总线上加所谓的上拉电阻，即在电源和总线之间接入一个大小适中（要远比驱动端负载小）的电阻，把总线在高阻抗状态时的电位固定在高电平上。第32页/共43页10.6 10.6 数据采集软件的抗干扰数据采集软件的抗干扰数据采集软件的抗干扰数据采集软件的抗干扰一、软件干扰的产生和抑制软件对系统的干扰主要表现在以下几个方面：1、不正确的算法产生错误的结果 33=27 3*3*3

32、=27 或(33-27)0.00012、由于精度不高而引起的噪声二、软件的抗干扰措施1、用软件消除多路开关的抖动2、用软件消除采样数据中的零电平漂移第33页/共43页第第11章章 采样数据的预处理采样数据的预处理11.1 采样数据的标度变换把AD转换的数字量变换为带有工程单位的数字量，这种变换称为标度变换。也称工程变换。标度变换有多种形式，它取决于被测物理量所用的传感器或变换器的类型。1、线性参数标的度变换 当被测物理量与传感器工仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换。2、非线性参数的标度变换 当被测物理量与传感器工仪表的输出之间是非线性关系时，则应根据具体问题详细分析，求出被测量对应的度变

33、换公式，然后再进行变换。(1)公式变换法(2)多项式变换法(3)表格法第34页/共43页11.2 采样数据的数字滤波采样数据的数字滤波所谓“数字滤波”，就是通过特定的计算程序处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，故实质上是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，与模拟滤波器相比，它有以下优点：(1)不需要增加硬件设备，可以多个输入通道“共用”一个滤波程序。|(2)由于不需要硬件设备，因而可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在|阻抗匹配等问题。(3)数字滤波可对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或改变滤波参数

34、，这比模拟滤波器的硬件要灵活方便。中值滤波法对去除脉动性质的干扰较有效，对快速变化过程的参数（如流量等）则不宜采用。算术平均法适用于对压力、流量一类信号的平滑处理，这类信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。加权平均滤波法适用于系统纯滞后时间常数 较大、采样周期较短的过程。它对以不同采样时间得到的采样值分别给予不同的权数，以便能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。一阶滞后滤波法（惯性滤波法）适用于波动频繁的被测量的滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来了相位滞后。滞后角的大小与有关。防脉冲干扰复合滤波法先用中值法滤去由于脉冲干扰而有偏差的采样值，然后把剩下的采样值做算术平均

35、，就可得到防脉冲干扰复合滤波法。第35页/共43页11.3 剔除采样数据中的奇异项剔除采样数据中的奇异项采样数据中的奇异项是指采样数据序列中有明显错误（丢失或粗大）的个别数据。这此数据的存在，会使数据处理后的误差大大增加。在采样数据序列中确定哪些是奇异项，要根据具体的被测物理过程和数据采集系统的精度而定。剔除奇异项的方法，一般可选用差分法、多项式逼近和最小二乘法。它们之间的区别只是在于所选的算法上，其它方面大致相同。第36页/共43页11.4 去除或提取采样数据的趋势项去除或提取采样数据的趋势项等待处理的数据中，一般都包含有两种分量：周期大于数据采样周期的频率成分，称为趋 势 项；周期小于数据

36、采样周期的频率成分，称为交变分量。在数据处理时，并不在任何情况下都需要两种分量。有时对趋 势 项感兴趣，要提取趋势项；有时对交变分量感兴趣，要去除趋势项。去除或提取采样数据的趋势项的方法有两种：平均斜率法和最小二乘法。后者的处理精度高于前者。第37页/共43页11.4 采样数据的平滑处理采样数据的平滑处理采样数据中往往叠加有噪声。噪声有两大类：周期性噪声和随机性噪声。由于随机干扰的存在，使得用采样离散数据绘成的曲线呈现折线形状，很不光滑。表明采样数据中的高频成分比较丰富。为削弱干扰的影响，提高曲线的光滑度，常需要对采样数据进行平滑处理。常用的平滑处理方法有：平均法、五点三次平滑法和样条函数法等

37、。数据平滑处理的原则是：通过数据平滑处理，既要削弱干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性。第38页/共43页第第12章章 数据采集系统设计数据采集系统设计12.1 系统设计基本原则1、硬件设计基本原则(1)经济合理充分发挥硬件系统的技术性能是硬件设计的重要原则。|(2)安全可靠确保系统安全可靠工作是硬件设计就遵循的根本原则。(3)有足够的抗干扰能力是保证系统精度、工作正常和不发生错误的必要条件。2、软件设计基本原则(1)结构合理|(2)操作性能好|(3)具有一定的保护措施|(4)提高程序的执行速度(5)给出必要的程序说明第39页/共43页12.2 系统设计的一般步骤系统设计的一般步骤1、分析问题

38、和确定任务2、确定采样周期Ts3、系统总体设计(1)进行硬件和软件的功能分配|(2)系统A/D通道方案的确定根据设计技术指标，将多路开关、S/H器和|ADC选择好，再加上控制逻辑，并按照一定通道方案组成在一起，就构|成系统AD通道。|(3)确定微机的配置方案|(4)操作面板的设计(5)系统的抗干扰设计4、硬件和软件设计(1)硬件设计 明确硬件设计任务|尽可能详细绘制出逻辑图和电路图 制作电路和调试电路(2)软件设计 明确软件设计任务|按功能划分程序模块并绘出流程图|程序设计语言的选择 调试程序5、系统联调第40页/共43页数字输出 鉴零器 A积分器R1电路1L1R2电路2L2R3电路3L3第41页/共43页UoRbTUiReRcEcuiuDrE模数转换器Ui比较器RAQDSD2D1C脉冲发生器起动脉冲数据采集电路SNA信号地仪器地B2B1AIRLUoUC1D1T1T2Ui A1 A2TD2R1R3R2C2第42页/共43页感谢您的观看！第43页/共43页