基于matlab的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文-文庫吧
2025-07-31 14:31 本頁面
【正文】 號最高頻率fch的兩倍，才不致產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。（2）欠采樣（Under Sampling）。在通信和動態(tài)數(shù)據(jù)的采集中，發(fā)展了一種欠采樣技術(shù)，即采樣頻率fs可以低于信號頻率fch，利用采樣信號產(chǎn)生的高次諧波，將采樣后的信號移至第二或者更高的奈奎斯特區(qū)。（3）等效時間采樣（Equivalent Time Sampling ）。主要是對于重復(fù)的周期波形進行等效時間采樣。（4）變速率變分辨率采樣。而常見的采集方式則有以下幾種。（1）掃描式采集（Scanning Acquisition）：時分制、多通道巡回采集。 （2）并行式采集（Parallel Acquisition)：多個通道同步并行采集，每個通道采用一個獨立的A/D轉(zhuǎn)換器，通道采集速率只取決于A/D的轉(zhuǎn)換速率，與通道數(shù)無關(guān)。 （3）交替采集（Internative Acquisition）：一個通道由多個A/D轉(zhuǎn)換器交替采集，使每個通道采樣速率等于多個A/D的轉(zhuǎn)換速率之和，可以高于單個A/D的轉(zhuǎn)換速率。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：采集子系統(tǒng)和計算機子系統(tǒng)，即下位機智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機 HMI（Human Machine Interface）系統(tǒng)。采集子系統(tǒng)實現(xiàn)將客觀世界被測對象信號采集和轉(zhuǎn)換為能被計算機處理的數(shù)字信號的功能等；計算機子系統(tǒng)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的控制、存儲和處理等功能，計算機起著對采集數(shù)據(jù)的存儲和處理、統(tǒng)計分析、提供人機接口與其他計算機的數(shù)據(jù)通信和交換的功能。一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬信號由傳感器采得經(jīng)過信號調(diào)理模塊送入數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中完成A／D轉(zhuǎn)換，包括采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入與之相連的PC機中。根據(jù)不同的要求，在PC機上利用MATLAB以及二次編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析與處理。用戶可以通過人機交互界面修改、設(shè)定各項參數(shù)來控制數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的工作狀態(tài)，同時可以得到數(shù)據(jù)的采集與分析結(jié)果， 從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析的自動化。信號源傳感器信號處理數(shù)據(jù)采集設(shè)備PCMATLAB軟件環(huán)境信號處理分析圖1一般的外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分，以友好的圖形界面與用戶進行交互溝通。數(shù)據(jù)采集部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，根據(jù)用戶選擇的采樣頻率和預(yù)設(shè)的采樣時間，從聲卡獲得用戶需要的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析部分對采集到的數(shù)據(jù)進行頻譜分析。全部數(shù)據(jù)的時域和頻域波形以圖形方式直觀地呈現(xiàn)于用戶面前。此外，還提供保存數(shù)據(jù)以及回放數(shù)據(jù)的功能。 圖2給出了基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡圖，主要部件數(shù)據(jù)采集工具箱提供了硬件驅(qū)動程序和MATLAB環(huán)境之間“對話”所需的硬件驅(qū)動程序適配器、數(shù)據(jù)采集引擎和M文件函數(shù)。數(shù)據(jù)采集工具箱MATLAB硬件驅(qū)動程序硬件磁盤文件傳感器執(zhí)行器數(shù)據(jù)采集引擎硬件驅(qū)動程序適配器M文件函數(shù)圖2基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡圖硬件驅(qū)動程序適配器在硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集引擎之間交換屬性數(shù)值、數(shù)據(jù)和事件；數(shù)據(jù)采集引擎用來存儲各個設(shè)備對象，以及每個設(shè)備對象的屬性值；對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并且使不同事件同步；M文件用來創(chuàng)建設(shè)備對象、采集或輸出數(shù)據(jù)、配置屬性值和檢測數(shù)據(jù)采集狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般具有以下幾個特點。（1）現(xiàn)代采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。（2）軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來越大，增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合的日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。（4）數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實際需要；對于通用采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應(yīng)用環(huán)境。（5）隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（6）總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。評價一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有很多指標(biāo)，但是一般采用以下幾個比較常用的指標(biāo)進行評價。系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通?？梢杂萌缦聨追N方法表示系統(tǒng)分辨率。使用系統(tǒng)所采用的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示系統(tǒng)分辨率；使用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿度值的百分比表示系統(tǒng)分辨率；使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值表示系統(tǒng)分辨率；使用滿度值可以分的級數(shù)表示系統(tǒng)分辨率。系統(tǒng)精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所能達到的轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際上，系統(tǒng)精度往往達不到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)（子系統(tǒng)）的精度，如前置放大器、濾波器、模擬多路開關(guān)等。只有當(dāng)這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器的精度時，系統(tǒng)精度才有可能達到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示為滿度值的百分數(shù)。采集速率又稱為系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入的模擬信號在單位時間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。這里說的“采集”包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。動態(tài)范圍最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍，指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅度和最小幅度之比的分貝數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，用途和功能也各不相同，常見的分類方法有以下幾種。多路開關(guān)控制器采樣/保持A/D轉(zhuǎn)換I/O接口CPU這種系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)形式采用分時轉(zhuǎn)換工作的方式，多路被測信號共用一個采樣/保持器和一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。當(dāng)采樣保持器的輸出已充分逼近輸入信號（按給定精度）時，在控制命令的作用下，采樣保持器由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)，A/D 轉(zhuǎn)換器開始進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)將下一路信號切換到采樣/保持器的輸入端，系統(tǒng)不斷重復(fù)以上的操作，可以實現(xiàn)對多通道模擬信號的數(shù)據(jù)采集。采樣方式可以按順序或隨機進行。圖3多通道共享采樣保持器和AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖這種采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式最簡單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號變化率不高、對采樣信號不要求同步的場合。如果被測信號變化速率較慢，可以不用采樣保持器，直接進行 A/D 轉(zhuǎn)換。如果信號很弱而干擾噪聲強，需要在系統(tǒng)電路中增加信號放大電路和濾波環(huán)節(jié)。多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖4所示，也屬于分時轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。多路開關(guān)控制器緩沖器A/DI/OCPU采樣保持采樣保持采樣保持圖4多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多路模擬輸入信號共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，但是每個通道各有一個采樣/保持器，在同一采樣指令控制下對各路信號同步進行信號采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。模擬開關(guān)分時將各路采樣/保持器切換到 A/D 轉(zhuǎn)換器上，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這些同步數(shù)據(jù)可以描述各路信號的相位關(guān)系，所以這種結(jié)構(gòu)被稱為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多
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