【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采樣間隔是△ t，注意，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是離散的。 圖 4 模擬信號(hào)采樣圖 如果對(duì)信號(hào) x(t)采集 N 個(gè)采樣點(diǎn)，那么 x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，?， x[N－ l]} 這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào) x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這個(gè)數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率 (或△ t)的信息。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào) x(t)的頻率 。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖 5 和圖 6 顯示了一個(gè)信號(hào)分別用合適的采樣率和過(guò)低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。 9 圖 5 合適采樣率采樣波形 圖 6 采樣率過(guò)低采樣波形 采樣率過(guò)低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕 對(duì)值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集 (A/D)之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的 2 倍就夠了，但實(shí)際上工程中選用 510 倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。 采集系統(tǒng)的一般組成 傳感器 傳感器部分是跟外界溝通的門(mén)戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象的信號(hào)來(lái)源已經(jīng)是變換好了的電信號(hào)，所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒(méi)有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計(jì)過(guò)程中必需要考慮的。 信號(hào)調(diào)理 從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來(lái)設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下： 1）放大 微弱 信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和 A/D 的電壓范圍相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器，使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。 2）隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。 3）濾波 濾波的 目的是從所測(cè)量的信號(hào)中除去不需要的成分。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來(lái)濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號(hào)中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號(hào)。另外，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。 4）激勵(lì) 信號(hào)調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┧璧募?lì)信號(hào)，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等就需要外界電 10 源或電流激勵(lì)信號(hào)。很多信號(hào)調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵(lì)。 5）線性化 許多傳感器對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來(lái)的誤差。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可 以利用軟件來(lái)解決這一問(wèn)題。 6）數(shù)字信號(hào)調(diào)理 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，有時(shí)也有必要進(jìn)行調(diào)理，其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字 I/O 比直接控制電磁閥、電燈、電動(dòng)機(jī)等外部設(shè)備。 如下是穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)，通過(guò)輸出 +12V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)采集。 圖 8 +12V 穩(wěn)壓電源 如下是信號(hào)調(diào)理電路。利用 1mA 恒定電流通過(guò) pt100 熱電阻產(chǎn)生相應(yīng)的電壓再通過(guò)低通濾波器濾掉 100hz以上的信號(hào)。利用差動(dòng)放大器放 大 12 倍再通過(guò)濾波器放大 倍。然后輸出到數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集。 11 圖 9 熱電阻調(diào)理電路 輸入信號(hào)的類型 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)要采集的信號(hào)有所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測(cè)量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測(cè)信號(hào)，才能選擇合適的測(cè)量方式和采集系統(tǒng)。 任意一個(gè)信號(hào)是隨時(shí)間而改變的物理量。一般情況下，信號(hào)所運(yùn)載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài) (State)、速率 (Rate)、電平 (Level)、形狀 (Shape)、頻率成分 (Frequency Content)。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同， 可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)又可分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)則可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào)。 1）數(shù)字信號(hào) (Digital) 第一類數(shù)字信號(hào)是開(kāi)關(guān)信號(hào) (OnOff)，如圖 10 所示。一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。 TTL信號(hào)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，一個(gè) TTL 信號(hào)如果在 到 之間，就定義它為邏輯高電平，如果在 0 到 12 之間，就定義為邏輯低電平。 O nO f ftS t a t e 圖 10 開(kāi)關(guān)信號(hào) 第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào) (Pulse Train)，如圖 11 所示。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。 tR a t e 圖 11 脈沖信號(hào) 2）模擬信號(hào) (Analog) 模擬直流信號(hào) (DC)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)，如圖 12 所示。 tL e v e l 圖 12 模擬直流信號(hào) 直流信號(hào)最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載的信息的幅度。常見(jiàn)的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號(hào)時(shí)，需要 有足夠的精度以正確測(cè)量信號(hào)電平。 模擬時(shí)域信號(hào) (Time Domain)運(yùn)載的信息不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化，如圖 13 所示。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)或者說(shuō)是波形時(shí)，需要關(guān)注波形形狀的特性，如斜度、峰值等。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列，間隔也要合適，以保證信號(hào)的有用部分被采集到。現(xiàn)實(shí)中存在許多不同的時(shí)域信號(hào)，比如心臟跳動(dòng)信號(hào)、視頻信號(hào)等，測(cè)量它們通常是因?yàn)閷?duì)波形的某些方面的特性感興趣。 13 圖 13 模擬時(shí)域信號(hào) 模擬頻域信號(hào) (Frequency Domain)與時(shí)域信號(hào)類似，但從頻 域信號(hào)中提取的信息是信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性，如圖 14所示。用于測(cè)量一個(gè)頻域信號(hào)的系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號(hào)中提取頻域信息。為了實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)字信號(hào)處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的 DSP 硬件來(lái)迅速而有效地分析信號(hào)。模擬頻域信號(hào)也很多，比如聲音信號(hào)、地球物理信號(hào)、傳輸信號(hào)等。 圖 14 模擬頻域信號(hào) 現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)并不是互相排斥的，一個(gè)信號(hào)可能運(yùn)載有不只一種信息，可以用幾種方式來(lái)定義信號(hào)并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。 輸入信號(hào)的連接方式 一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類型。測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分 (Differential)、參考地單端 (RSE)、無(wú)參考地單端 (NRSE