数据采集技术
数据采集
第九章 数据采集技术
主要内容
● 数据采集概述，什么是数据采集
● 模拟信号的数字化处理
● 多路模拟开关、测量放大器
● 采样/保持电路
● 模/数转换器、数/模转换器
● 数据采集的抗干扰技术
● 传感器、数据采集系统设计（自学内容）
2001年4月1日， 一架美国海军 EP-3型侦测机在南中国海进行侦察，中国海军航空兵派出2架歼-8II战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在海南岛东南70海里上空与美机发生碰撞、坠毁，飞行员王伟跳伞，下落不明，后确认牺牲， 美国军机迫降海南岛陵水机场……
执行侦查任务¡ª¡ª收集中国军事情报。
qq蓝钻有什么用2008年9月25日，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射。点火583秒，飞船与火箭在高度约200公里处成功分离。
发射测控网共设 13个站，其中上升段有3个站：发射场的东风站、渭南站和青岛站， 这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100%。入轨段有两条测量船：远望一号和远望二号……
对象测控¡ª¡ª数据采集与目标控制
● 类似的例子很多，如物联网。上述实例中，进行情报收集或完成测控任务，完全依赖于信息技术。
● 信息技术的核心包括信息获取、通信传输以及计算机数据处理技术，其中信息获取是基础和前提，而信息获取的主要手段是数据采集技术；数据采集技术随着微电子技术、电子技术、计算机技术的进步得到迅速发展，发挥着越来越重要的作用。
● 数据采集技术与计算机技术密切相关，根据大纲要求，在计算机原理课程中增加数据采集技术的内容。
§9.1 概 述
一、数据采集的基本概念
1、数据采集
计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。
数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后，由非电量变换成电量，再
经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，输入计算机进行处理或存储记录的过程。
2、数据采集系统
用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。
3、数据采集系统任务
数据采集系统的任务主要有三项：
●   把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机
●   通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息
●   实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制
二、数据采集系统的基本组成
数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。硬件基本组成示意图如下。
常把传感器输出到A/D转换器输出的信号通道称为模拟通道。
1、传感器
传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电信号，例如电流、电压、频率或脉冲等。
举例：热电阻可以把变化的温度转换为变化的电压；
        转速传感器把转速转换为电脉冲，等。
2、放大器
放大器用来放大和缓冲输入信号。
传感器输出的信号较小，通常在几毫伏到几十毫伏之间，人体生物电信号为微伏量级。需要放大，鲁宾逊漂流记主要内容以满足ADC满量程输入的要求110跨栏清晰的反义词，如中国动漫排行榜5 ~ 10V。放大器还起到阻抗变换器的作用，来缓冲输入信号。放大器的种类比较繁杂。
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3、滤波器
滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比。
传感器和电路中的器件会产生噪声，人工发射源通过耦合使信号通道感染噪声，其它用电器产生的谐波污染等。数据采集必须有效去除噪声才能获得可信的数据。
4、多路模拟开关
多路模拟开关为电子开关，用来分时选通来自多个输入通道中的某一路信号，以实现多路巡回检测。功能：扩展输入路数， 减少后续电路器件数(S/H、ADC等只需1套）。可节省成本和体积，但会降低采集速度，增大误差，适合变化缓慢的物理信号。
5、采样/保持电路（S/H）
A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间内，A/D转换器的模拟输入信号不能变化，否则不能保证转换精度。
采样/保持电路的主要作用是快速拾取模拟输入信号， 并保持其幅值恒定，以提高A/D转换
器的转换精度；如果把S/H电路放在多路开关之前，可实现对多路模拟瞬时信号同时采样。
6、模数转换器（ADC）
模数转换器的主要作用是把模拟信号转换为数字信号，其输入是采样/保持电路的输出，输出是计算机接口的输入。ADC是模拟输入通道的关键电路，是影响系统采样速度和精度的主要因素之一。
7、计算机I/O接口
A/D转换结果要送入计算机处理，而数据处理后还要送出计算机，都需要借助于计算机I/O接口完成。
8、定时与控制逻辑
在数据采集系统中，各器件的定时关系是非常严格的，如果定时不合适，会严重影响系统的采样精度。
例如，在多路模拟开关、采样/保持，AD转换之间， 哪个开启、开启多长时间有严格的规定。
定时与控制逻辑侧重于为完成数据采集任务所进行的控制功能，是面向系统的。 定时与控制逻辑在结构图中没有画出。
三、数据采集系统的主要指标
对数据采集系统性能指标的要求主要取决于具体应用的目的和应用的环境。以下介绍几个常用指标的含义。
1、系统分辨率
数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占满量程的百分比表示，或用系统可分辨的最小电压值或满量程可划分的级数表示。以10V满量程为例：
2、系统精度
系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，通常表示为满量程的百分数。系统精度是系统各种误差的总和，模数转换器的精度是系统精度的极限值。实际情况是，系统精度达不到数模转换器的精度。
3、采集速率
采集速率也叫吞吐率，是指在满足精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。
采样速率是采样周期的倒数，采样周期表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。采样周期内需完成采样、量化、编码、传输、处理等的全部工作。
4、动态范围
某个物理量的变化范围，即信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。设允许输入信号的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，则动态范围表示为：
                                          Vimax
                          Ii  = 20lg
                                          Vimin
5、非线性失真
非线性失真也叫谐波失真，当系统输入一个频率为 f 的正弦波时，其输出中出现很多频率为 kf （k为正整数）的新的频率分量，这种现象称为非线性失真。用谐波失真系数衡量。
四、数据处理的任务
数据采集是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等为基础而形成的一门综合应用技术学科，除硬件设备外，往往需要软件的支持，以对所采集的数据进行分析与处理，并完成信息的表示等，是软件要完成的任务。
数据类型的不同、应用领域的不同，数据处理方法会有很大差别。本章的重点放在数据采集原理上，而对具体的数据处理方法将不作详细介绍。
1、信号分类（◎▲◎）
信息通过信号来传递，信号是信息的载体，是信息的表现形式。数据采集的对象是信号；数据处理的目的是获取信息。
        信号          数据          信息
了解信号的分类有利于到规律，便于数据处理。
（1）按信号特性分类   
● 确定信号：能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，如正弦曲线、指数曲线等。
• 周期信号：按一定周期重复出现的信号。
• 非周期信号：不按固定周期出现的信号。
● 随机信号：不能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，但服从某种统计规律，如产品的合格率等。
• 平稳随机信号：统计特性不随时间变化。
• 非平稳随机信号：统计特性随时间变化。
    上述信号还可以继续分类，如周期信号可分为谐波信号和复杂周期信号等，这里不再讨论。
（2）按信号形式分类
● 模拟信号
    幅度的取值是连续的，为时间上连续变化的信号，如电压、温度等，输入计算机前需要经过采样、量化和编码，进行离散化。
● 状态信号
    物质系统所处的状况，一个状态可由一组物理量来描述。状态信号则可由二进制代码来表示。水在不同的温度下会有不同状态，温度＜0℃ ：固态，温度＞100℃：气态。固态、液态和气态可用00、01、10状态信号来表示；开关的状态可用0和1表示。

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