【導(dǎo)讀】論等理論，本文主要對中心地理論在現(xiàn)實中的意義來進(jìn)行闡述。本文對城市建設(shè)問題主是從理論和實證兩方面進(jìn)行入手分析。用MSSQLSERVER20xx建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu).

　　

【正文】 量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換接口。它在自動測試、生產(chǎn)控制、通信、信號處理等領(lǐng)域占有極其 重要的地位。而高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是航天、雷達(dá)、制導(dǎo)、測控、動態(tài)檢測等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采樣頻率一般在幾十 MHz到幾百 MHz。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理通道、采樣保持器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩存電路、微處理器及外設(shè)構(gòu)成。如圖 所示。 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 （ 1）傳感器 傳感器把待測的非電物理量轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠檢測的電信號。理想的傳感器能夠?qū)⒏鞣N被測量轉(zhuǎn)換為高輸出電平的電量，提供零輸出阻抗，具有良好的線性。 （ 2）信號調(diào)理通道 信號調(diào)理通道主要完成了模擬信號的放大和濾波等功能。理想的傳感器能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成高輸出電平的電量，但是實際情況下，數(shù)據(jù)采集時，來自傳感器的模擬信號一般都是比較弱的低電平信號，因此需要對信號進(jìn)行放大。而 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以滿量程電壓為依據(jù)，因此為了充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率，需要把模擬輸入 信號放大到與其滿量程電壓相應(yīng)的電平。而傳感器和電路中器件不可避免的會產(chǎn)生噪聲， 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 34 頁 34 周圍各種各樣的發(fā)射源也會使信號混合上噪聲，因此需要利用濾波器衰減噪聲以提高輸入信號的信噪比。 （ 3）采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間，而在轉(zhuǎn)換期間希望 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號電壓保持不變，才能保證正確的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入信號的頻率較高時，就會產(chǎn)生較大的誤差，為了防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在 A/D 轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換之前將信號的電平保持，轉(zhuǎn)換之后又能跟蹤輸入信號的變化，保證較高的轉(zhuǎn)換精度。為此，需要利用采樣保持器來實現(xiàn)。 （ 4） A/D 轉(zhuǎn)換器 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，才能利用微處理系統(tǒng)對其處理。因此 A/D 轉(zhuǎn)換器是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，也是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。對于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有逐次逼近型、并行比較型 (閃爍型 )等分級型 (半閃爍型 )等幾種電路結(jié)構(gòu)。高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部一般都集成了采樣保持器和多路數(shù)據(jù)分配器，以保證采樣的精度和降低后續(xù)存儲器的要求。 （ 5）數(shù)據(jù)緩存電路 對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集量化后的數(shù)據(jù)速率非常高而且數(shù)量大，微處理系統(tǒng)無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，因此需要存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。緩存區(qū)是 以高速方式接收從 A／ D轉(zhuǎn)換數(shù)字化的數(shù)據(jù)，而又以相對低速的方式將數(shù)據(jù)送給計算機(jī)。用它的“快進(jìn)慢出”來解決高速 A／ D 轉(zhuǎn)換與低速計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸之間的矛盾。 （ 6）微處理器和外設(shè) 微處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的管理和控制工作，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和處理，然后送到外部設(shè)備。 模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通常分成三個步驟進(jìn)行。這就是采樣保持、量化與編碼。連續(xù)的模擬信號 x(t)按一定時間間隔采樣 保持后得到臺階信號，在經(jīng)過量化變?yōu)榱炕盘?，最后編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 X(n)。在現(xiàn)代 ADC 器件中，這三個步驟一般合起來在一 個器件中完成。轉(zhuǎn)換過程可以用圖 表示： 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 35 頁 35 圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換過程 （ 1）采樣保持 所謂采樣就是不斷地以固定的時間間隔采集模擬信號當(dāng)時的瞬時值。由抽樣定理可知，用數(shù)字方式處理模擬信號時，并不是用在整個作用期間的無窮多個點的值，而是只用取樣點上的值就足夠了。因此，在前后兩次取樣的空擋時間間隔 內(nèi)，可將取樣所得模擬信號值暫時存放在存儲介質(zhì)上，通常是電容器上，以便將它量化和編碼。其過程如圖 所示。 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 36 頁 36 圖 采樣保持過程 模擬輸入信號 X(t)經(jīng)取樣一保持后的波形。圖 中清楚的表明了取樣保持的物理意義。て是取樣過程的持續(xù)時間，稱為孔徑時間。在孔徑時間內(nèi)，以 =X(t)，在保 持時間內(nèi)保持不變，這段時間就用來作量化和編碼。 3．量化與編碼 量化就是把一個連續(xù)函數(shù)的無限個數(shù)值的集合映射為一個離散函數(shù)的有限個數(shù)值的集合。模擬信號 X(t)經(jīng)理想抽樣后變成離散時間序列 X(nTs)，而 X(nTs)的值是原模擬信號在各采樣點的精確值，其取值是連續(xù)分布的，但是 A／ D變換中表示 X(nTs)用的是有限字長的二進(jìn)制數(shù)，所謂量化就是指用一些不連續(xù)的數(shù)來逼近精確采樣值的過程。因此量化過程中必然存在誤差，這種誤差稱為量化誤差。 在數(shù)學(xué)上，量化過程可以表示為 ， k=1,2,?? L 其中， x 為待量化輸入數(shù)值， 稱為量化值 (或量化電平 )，稱為分層電平 (或判決閥值 )， L 稱為量化級數(shù) (或分層數(shù) )，稱為量化間隔 (或量化臺階 )。 對于均勻量化，量化間隔為常量，即 =q(k=1， 2，．．． L)。則有 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 37 頁 37 其中，為滿量程電壓 (Full Scale Range)， n 為量化后數(shù)字信號的二進(jìn)制位數(shù)。編碼就是用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼 (稱為一個碼字 )來表示某一量化值。如果碼字長度為n，則量化級數(shù)為： L= 數(shù)據(jù)采樣技術(shù) 按照奈奎斯特采樣定理，任意一個最高頻率為 fm 的模擬信號，只有滿足條件采樣周期 T1/2fm，才能夠用間隔時間為 T 的一系列離散取 樣值來代替它，而不會丟失該信號的任何信息，理論上可以精確地重建原信號。需要指出的是，如果用 2 倍奈奎斯特頻率采樣 2fm，則必須使用截止頻率為 fm 的理想低通濾波器才能恢復(fù)原來的模擬信號，如果采樣頻率大于 2倍奈氏頻率，那么就可以放寬對低通濾波器截至頻率的要求。 數(shù)字化采樣方式主要有實時采樣和等效采樣兩種，而等效采樣又分為順序采樣和隨機(jī)采樣兩種。 實時取樣的原則是從數(shù)字化一開始，就按照一個固定的次序來采集的，一直將整個波形采樣完畢后存入波形存儲器中。實時采樣的優(yōu)點在于信號波形一到就采樣，因此適合任何形式的信號波形， 周期的或者非周期的，單次的或者是連續(xù)信號。又由于所有的采樣點是以信號出現(xiàn)的時間為順序的，因此利于波形的顯示處理。 順序取樣是指在被測信號的周期內(nèi)取樣一次，取樣信號每次延遲△ t 時間，如此下去，就是說第 N 次采樣發(fā)生在第一次采樣后的（△ t 一 l） N 后，取樣后的離散數(shù)字信號構(gòu)成的包絡(luò)反映原信號的波形，但包絡(luò)的周期比原信號的周期長的多，相當(dāng)于把被測信號在時間軸拉長了。順序采樣不能采樣非周期信號。 隨機(jī)取樣不是在信號的一個周期內(nèi)完成全部取樣過程，而是取樣點分別取自若干個信號波形的不同位置，經(jīng)過多個采集周期的樣品積累，最終 恢復(fù)出被測波形。但是隨機(jī)取樣也存在著弊端，不能觀測非周期信號。 并行采樣技術(shù) 系統(tǒng)的采樣率為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最關(guān)心的指標(biāo)，其實現(xiàn)依賴于核心芯片 A/D的工作頻率，對于高采樣率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，利用單片高速 A/D 轉(zhuǎn)換芯片是最為常見的方式，其實現(xiàn)也較為簡單，但是由于高速 A/D 的價格昂貴，而且由于高采樣率 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 38 頁 38 的 A/D 的分辨率往往不高，因此對于高采樣率和高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，基于并行采樣利用多片低采樣率 A/D 實現(xiàn)高采樣率是可以降低高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)有著重要的意義。 利用多片低采樣率 的 A/D轉(zhuǎn)換器并行工作實現(xiàn)高采樣率有兩種方式。一種是采用延遲線的方式，另一種是采用時間并行交替采樣的方式。所謂延遲線的方式，是指將輸入信號直接送入系統(tǒng)的一個通道，同時，輸入信號經(jīng)延遲線后依次送入另外的 N一 1通道，信號進(jìn)入每個通道的延遲時間為 A/D轉(zhuǎn)換器采樣周期的 T的 1/N，各通道A/D 的采樣時鐘相同，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，這樣就提高了系統(tǒng)的采樣率。但是對輸入信號做精確延時比較困難，特別在通道非常多的情況下，因此，目前主要采用并行時間交替采樣的方式。 并行時間交替采樣，是指將輸入信號同時送到多個通道， A/D 轉(zhuǎn) 換器按照各自的采樣時鐘工作，整個系統(tǒng)的采樣率為多片 A/D 采樣率的總和。 N 片 A/D 并行時間交替采樣構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸入信號同時到達(dá)每片 A/D 的輸入端。每片 A/D 的采樣率為 fs，采樣周期為 T=1/sf，每片 A/D 采樣時間間隔為采樣時鐘周期 T 的 1/N。整個系統(tǒng)的采樣率為 N片 A/D 的采樣率的總和，等于 Nfs，實現(xiàn)了多片低速 A/D 并行工作實現(xiàn)高采樣率。 圖 多通道并行時間交替采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 時鐘頻率合成技術(shù) 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 39 頁 39 對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣時鐘的相位抖動以及分辨率是非常重要的指標(biāo)。采樣時鐘的相位抖動將會造成采樣的非均勻，而時鐘分辨率過低將無法滿足系統(tǒng)的要求。因此，如何得到高質(zhì)量的采樣時鐘是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常關(guān)心的問題。 目前高性能的頻率信號均通過頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)。頻率合成的實現(xiàn)方法主要三種方式 :直接模擬頻率合成法、間接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成。直接模擬頻率合成法是一種早期 的頻率合成方式，是指利用混頻器、倍頻器和分頻器等對一個或幾個頻率進(jìn)行算術(shù)運算產(chǎn)生所需頻率。直接模擬頻率合成法的優(yōu)點是頻率轉(zhuǎn)換速度快，相位噪聲低，缺點是需要很多中心頻率不同的窄帶濾波器來濾除雜波，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雜散多。間接頻率合成技術(shù)又稱鎖相式頻率合成，它是利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)頻率的加、減、乘、除。其優(yōu)點是由于鎖相環(huán)路相當(dāng)于一窄帶跟蹤濾波器。因此能很好地選擇所需頻率的信號，抑制雜散分量，避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。直接數(shù)字合成技術(shù)具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率穩(wěn)定 度高、集成度高、易于控制等多種優(yōu)點，但是 DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）自身特點所造成的雜散以及頻率較低成為限制 DDS 應(yīng)用的主要因素。 目前， DDS+PLL 的技術(shù)受到廣泛的重視， PLL 技術(shù)具有高頻率、寬頻、頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點，但其頻率轉(zhuǎn)換速度低。 DDS 技術(shù)則具有高速頻率轉(zhuǎn)換能力、高度的頻率和相位分辨能力，但目前尚不能做到寬帶，頻譜純度也不如 PLL?；旌鲜筋l率合成技術(shù)利用這兩種技術(shù)各自的優(yōu)點，將兩者結(jié)合起來，其基本思想是利用 DDS 的高分辨率來解決 PLL 中頻率分辨率和頻率轉(zhuǎn)換時間的矛盾。 高速數(shù)據(jù)存儲 分時存儲 分時存儲技術(shù)利用一個高速鎖存器將采集的高速數(shù)據(jù)鎖存，而后利用多個相對慢速的存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以保證數(shù)據(jù)存儲的可靠性。由于多個靜態(tài)存儲器分時參與了數(shù)據(jù)存儲的過程，使得多個慢速靜態(tài)存儲器分時存儲操作過程進(jìn)行了疊加，其效果等效于一個高速靜態(tài)存儲器的操作。其原理圖如下圖 所示。 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 40 頁 40 圖 分時存儲原理圖 數(shù)據(jù)降速存儲 所謂數(shù)據(jù)降速存儲技術(shù)，就是對在數(shù)據(jù)存儲之前將高速數(shù)據(jù)的速度降低到低速存儲器可以及時存儲的程度。該方法避免了多個存儲器的使用，只需利用一個大容量的存儲器就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，實現(xiàn)起來相對分時存儲簡單。設(shè)計中可以利用串并轉(zhuǎn)換電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行降速處理以滿足后續(xù)的存儲器速度較低的要求。串并轉(zhuǎn)換電路的基本原理為數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)依次存入串行移位寄存器中，然后并行輸出，降低了傳輸數(shù)據(jù)的速度，以滿足存儲器工作速度的要求。這里以一個 4位的移位寄存器對其進(jìn)行說明，如 圖 。 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 41 頁 41 圖 串井轉(zhuǎn)換電路 串并轉(zhuǎn)換電路由一個串行的移位寄存器和兩個并行的移位寄存器構(gòu)成，其高速時鐘由可以通過鎖相環(huán) PLL 提供， PLL 產(chǎn)生的高速時鐘在通過分頻電路得到 4分頻的低速時鐘。串行移位寄存器在 PLL 產(chǎn)生的時鐘的控制下，依次將接收到的數(shù)據(jù)依次存放在串行移位寄存器中，然后 在計數(shù)電路產(chǎn)生的控制信號的作用下，將數(shù)據(jù)存入并行寄存器，而后在低速時鐘的控制下將數(shù)據(jù)送入下一個并行寄存器，最后送入后面的邏輯電路。這樣就實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的正確存儲，設(shè)計中根據(jù)數(shù)據(jù)的頻率選擇合適移位寄存器，以滿足設(shè)計的要求。 2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案 單片機(jī)控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 本系統(tǒng)主要由三部分組成：單片機(jī) 8751 控制部分、計算器和存儲器部分、 A/D轉(zhuǎn)換模塊。其硬件框圖如圖 所示。 揚州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 42 頁 42 圖 系統(tǒng)硬件框圖 單片機(jī)控制部分包括地址和數(shù)據(jù)選擇器 ,本系統(tǒng)采用內(nèi)置 4KB EPROM 的 8751 單片機(jī)。其作用有 : (1)負(fù)責(zé) A/D 轉(zhuǎn)換過程的啟動及完成控制 。 (2)對自動存儲于存儲器內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ,也可通過串行口或并行接口傳給主機(jī) (如 PC 機(jī) )作進(jìn)一步處理。 地址選擇器和數(shù)據(jù)選擇器的功能是在單片機(jī) 口線的控制下決定數(shù)據(jù)存儲器的地址線和數(shù)據(jù)線連向何處。當(dāng) = 1 時 ,存儲器的 地址信號來自計數(shù)器輸出 , 數(shù)據(jù)信號來自 A/D 轉(zhuǎn)換器 。當(dāng) = 0時 ,存儲器則成為 8751的外部數(shù)據(jù)存儲器 , 此時單片機(jī)可讀取其中的數(shù)據(jù)。 計數(shù)器的作用是自動產(chǎn)生 16 位存儲器地址信號以實現(xiàn)將 A/D 的轉(zhuǎn)換結(jié)果自動按順序快速存放存儲單元中。該計數(shù)器為 16 位二進(jìn)制計數(shù)器 ,由四片 74LS161 四位二進(jìn)制同步計數(shù)器級聯(lián)構(gòu)成 [4],各片的異步清除端連在一起并由單片機(jī) 腳控制。計數(shù)脈沖 CP 來自 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)計數(shù)器計滿時 ,由其進(jìn)位信號向單片