信号的采集与处理

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1、信号的采集与处理主讲人：王坚引言随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业和科学技术研究全都需要借助数字处理方法，而进行数字处理方法的先决条件是将所有的研究对象进行数字化，也就是所谓的数据采集与处理。数据采集技术是以前段的模拟信号处理、数字化、数字信号处理和计算机等高科技为技术形成的一门综合技术。它现在被广泛应用于图像处理、振动测试、语音信号分析和瞬态信号分析等多个领域。所以它也成为研究领域中必不可少的一门技术。信号模拟信号模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信

2、号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化。电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。数字信号数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。现代技术的信号处理中，数字信号发挥的作用越来越大，几乎复杂的信号处理都离不开数字信号；或者说，只要能把解决问题的方法用数学公式表示，就能用计算机来处理代表物理量的数字信号。两者区别①模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的信号，时间上是连续的，幅度变化也是连续的。②数字信号是通过0和1的数字串所构成的

3、数字流来传输的，幅度变化是跳变的。数据采集系统的构成一个典型的数据采集系统的处理步骤如下：传感器调理通道采样保持器单片机电平转换电路计算机AD转换器对象物理信号电信号电信号电信号数字信号数据采集系统的构成传感器：将非电量转换成电信号输出。调理通道：完成模拟信号的衰减、放大、隔离、滤波、传感器激励和线性化等功能。采样保持器：保证A/D转换过程中信号的稳定。A/D转换器：将模拟量转换成数子量。单片机：进行数据采集。电平转换电路：将TTL电平1转换成RS232C2电平。计算机：接收数据并进行处理。备注:1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准6传感器传感器是

4、一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的主要功能是接受物理信号然后转变为电信号。调理通道1.放大电路微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也就是使调理后信号的最大电压值和ADC1的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低高放大倍数要求并可以提高较宽的动态范围。仪器信号调理的前端系统有几种放大模式，靠近传感器的微弱信号经过放大增益，最后只把大信号送给计算机，以使噪声影响减到最小。放

5、大器直流放大器交流放大器电荷放大器电桥时间域频率域幅度增大低频保留,高频截止幅度增大高频保留,低频截止电荷增大△ZV备注:1:数模转换（介绍）（介绍）8调理通道1.放大电路1.1直流放大电路1)反相放大器反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。调理通道1.放大电路1.1直流放大电路1)同向放大器同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。调理通道1.放大电路1.2交流

6、放大电路若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。调理通道2.滤波电路滤波可以消除噪声和不必要的干扰，噪声滤波器通常用于输入的信号是直流信号。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。滤波器低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器低通带通高通带阻调理通道2.滤波电路2.1RC无源滤波器在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中

7、信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器2)一阶RC高通滤波器2.1RC无源滤波器3)RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联调理通道3.隔离（屏蔽）隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开，因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板出来的数据不受地电位和输入模式的响。当输入DAQ1板的信号与得到的信号不共地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号的准确。4.激励信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。RTDS(

8、温度／电阻