第一章数据采集与模拟信号数字化(xkj)
电子电气工程中的数据采集与处理技术
电子电气工程中的数据采集与处理技术数据采集与处理技术在电子与电气工程领域中扮演着至关重要的角色。
随着科技的不断发展，各种智能设备和系统的出现，数据的采集和处理成为了实现自动化和智能化的关键。
本文将介绍电子与电气工程中的数据采集与处理技术的应用和发展。
一、数据采集技术数据采集是指通过各种传感器和仪器，将实际物理量转化为数字信号，以便计算机或其他设备能够进行处理和分析。
在电子与电气工程中，常见的数据采集技术包括模拟信号采集和数字信号采集。
模拟信号采集是将连续变化的物理量转化为模拟电信号，通过模数转换器将其转化为数字信号。
这种采集技术常用于测量温度、压力、湿度等物理量。
而数字信号采集则是直接将数字信号输入计算机或其他设备进行处理，适用于需要高精度和快速响应的应用，如音频信号处理和图像处理。
二、数据处理技术数据采集只是第一步，对采集到的数据进行处理和分析才能发挥其价值。
电子与电气工程中的数据处理技术主要包括数据滤波、数据压缩和数据挖掘。
数据滤波是通过滤波算法对采集到的原始数据进行去噪和平滑处理，以提高数据的质量和准确性。
常用的滤波算法有低通滤波、高通滤波和带通滤波等，可以根据不同的需求选择合适的滤波方式。
数据压缩是将大量的数据通过压缩算法进行压缩，以减少存储空间和传输带宽的占用。
在电力系统中，由于数据量庞大，采用数据压缩技术可以大大提高数据的传输效率和存储效率。
数据挖掘是通过各种算法和技术，从大量的数据中发现隐藏的规律和模式，以便进行预测和决策。
在电力系统中，通过对历史数据的挖掘和分析，可以预测电力负荷、故障诊断和设备维护等，提高系统的可靠性和效率。
三、应用案例数据采集与处理技术在电子与电气工程中有着广泛的应用。
以智能电网为例，通过在电网中安装传感器和智能仪器，可以实时采集电力系统中的数据，如电压、电流、功率等。
通过数据处理技术，可以对电力系统进行监测、故障诊断和负荷预测，提高电网的安全性和稳定性。
另外，数据采集与处理技术在工业自动化领域也有着重要的应用。
1.3数据采集与编码-【新教材】浙教版(2019)高中信息技术必修一课件
数制
编码
4.图像编码
数字图像包括：矢量图和位图图像 存储容量=总像素x颜色位深度 格式有：BMP、JPEG、GIF、PNG
思考练习
数据采集 数字化
数制
编码
5.视频编码
存储空间需求大
思考练习
数据采集 数字化
数制
编码
思考练习
1.在生活除了二进制、十进制与十六进制，我们常 用的还有哪些进制?
2.将1000个苹放入10个箱子。要取走1～1000中任意 个数的苹果，要求不拆开箱子。应如何装箱?结合 二进制思想，说明其原理。
数制
编码
思考练习
注意：模拟信号和数字信号之间是可以相互转换的。
转换是个什么流程？
数据采集 数字化
数制
编码
思考练习
数据采集 数字化
数制
编码
思考练习
数的进制 进制是一种计数的方式
二进制 八进制 十进制 十六进制
数制包含两个基本要素：基、权 理解为基的权次方
例如：十进制564 基数=10 4的 权值=100 5的权值=101
常用的输入码：拼音码、五笔码
数据采集 数字化
数制
编码
2.条形码
由13为数字组成。
思考练习
数据采集 数字化
数制
编码
思考练习
3.二维码 由黑白相间的图形组成。
数据采集 数字化
数制
编码
思考练习
4.声音码
存储容量=采样频率（Hz）x量化位数（bit）x声道数x时长（s）(单位： 位）
数据采集 数字化
第一我章们数毕据业与啦信息
其实是答辩的标题地方
1.3 数据采集与编码
目录
1.3.1数据采集 1.3.2数字化 1.3.3数制 1.3.4编码
实验1模拟数据采集
用于检测光信号并将其转换为电信号，常见类型有光电二 极管、光敏电阻等。选择时需要考虑光谱响应、灵敏度、 噪声等性能参数。
信号调理电路设计
放大电路
用于将传感器输出的微弱信号放 大到合适的幅度，以便后续处理。 设计时需要考虑放大倍数、带宽、
噪声等性能指标。
滤波电路
用于滤除信号中的噪声和干扰，提 高信噪比。设计时需要考虑滤波器 类型、截止频率、阻带衰减等参数。
采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的 一个特征值。要准确反映客观事物，必须有一个 量化过程。量化处理是将样本连续变化的模拟量 转换成离散的数字信号的过程。
被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量， 如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量， 也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一 定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。
的预处理和分析，如数据滤波、去噪和统计分析等。
05
数据分析与处理
数据预处理
数据清洗
去除重复、无效和异常数据，保证数据质量。
数据转换
将数据转换为适合分析的格式，如数值型、分类 型等。
数据标准化
消除数据间的量纲差异，使数据具有可比性。
特征提取方法
01
02
03
时域特征
提取数据的统计特征，如 均值、方差、峰度等。
多源数据融合
随着物联网、大数据等技术的发展，未来实验方法将更加注重多源数据融合，实现不同类 型、不同来源数据的整合和分析，为实验提供更加全面、准确的数据支持。
改进方向建议
提升数据采集精度
加强实时性处理
增强方法适应性
通过改进数据采集设备、优化 数据采集算法等方式，提高数 据采集的精度和稳定性。
通过采用实时计算框架、优化 数据传输协议等方式，减少数 据传输和处理延迟，提高实验 方法的实时性。
数据采集与模拟信号数字化
+∞
m=−∞
∑c e
m
2π
∞
2π jm t T
− jm t 1 T/2 ∞ 1 T cm = ∫ ∑δ (t − nT)e ∴ dt = T −T / 2 T n=−∞∫Βιβλιοθήκη T /2−T / 2
δ (t)e
2π − jm t T
1 dt = T
1 ∴ δT (t) = T ∑e m=−∞
∞
2π jm t T
(1.1.5)
1 X ( jΩ) = [ X ( jΩ) *∆( jΩ)] 2π
将（1.1.4)和(1.1.5)代入上式：
∧
∧
1 2π ∝ X ( jΩ) = [ ∑δ (Ω− mΩs )* X ( jΩ)] 2π T m=−∝
两个变化 采样因子 频谱的周期延拓 基带频谱 调制频谱
1 ∝ ∝ = ∑ ∫ X ( jθ )δ (Ω− mΩs −θ )dθ T m=−∝ −∝
xS ( nTS ) = ∑x( nTS )δ ( t − nTS )
n=0
+∞
(1.1.3)
二、采样定理
采样定理（香农定理) ：
要想采样后不失真地还原原信号，采样频率必须 大于原信号频谱中最高频率的两倍，即:
Ωs ≥ 2Ωm
解释：
1. 过程
采样脉冲序列可以用傅里叶级数展开：
δT (t) = ∑δ (t − nT) =
只舍不入量化误差：
平均误差：
e = ∫ ep(e)de = ∫
−∞
∞
q
0
1 q ede = q 2
最大量化误差： 量化误差的方差：
emax = q
q
σ
q 21 q2 = ∫ (e − e)2 p(e)de = ∫ (e − ) de = e 0 −∞ 2 q 12
1.3数据采集与编码(一)-【新教材】浙教版(2019)高中信息技术必修一教案
教学内容分析：
1.针对具体学习任务，体验数字化学习过程，感受利用数字化工具和资源的优势。
2.通过典型的应用实例，了解数据采集的基本方法。
学情分析：
本课授课对象为刚刚步入高中校园的高一学生，这些学生对于高中学习生活还有着强烈的好奇心和旺盛的求知欲。并且本节课又是第一节信息技术课，因此应当注重对学生学习兴趣的培养。在日常生活中，学生都有接触过数据，但是对于数据的理解还不够深入具体。因此，这节课没有放太多的知识点，而是让学生通过视频、讨论感知身边的数据。
复习巩固上一节课所讲授的进制。
帮助学生回顾上节课所讲的进制的知识点，也为这节课要讲的进制转换做准备。
知识讲解
(10’)
教师通过例题的形式讲授十进制转二进制的方法和二进制转十进制的方法。
十进制转二进制：除R取余法
二进制转十进制：乘权相加法
通过结合具体例题，帮助学生理解进制转换的方法。
主题探讨
(5’)
思考：
主题探讨
(5’)
阅读文本1.3.2 数字化，了解数字化的过程，数字化的概念，了解采样和量化的过程。
思考：微信聊天背后的技术解密，微信发送语音的背后是怎样的过程？
通过结合具体实例，引导学生理解数字化概念，模拟信号与数字信号间的转换方式。
知识讲解(5’)
教师讲解数字化的过程 ：
（1）采样
连续时间（空间）域上的模拟信号转换到离散时间（空间）域上的离散信号。
知识讲解(5’)
教师结合例题讲授二进制与十六进制的转换方法。
二进制转十六进制：四位变一位，不足位补0
十六进制转二进制：一位变四位，不足位补0
让学生自己先阅读，找出难理解的概念，教师引导学生一起梳理知识难点。帮助学生理解数制的概念。
数据采集基础知识
内存(Buffer)
4. 数据传输 I/O 指令 DMA 总线主控
中断信号
CPU
5. 中断信号控制
6. A/D 分辨率与数据格式 数据位数 二进制代码或补码 单极性或双极性
7. 隔离与 非隔离
翰渣舵汽糟目哭吸持散酥瞎胜货栅牛沁苫朔沃炕讹捐奖镇缴碗点哭滑赁斌数据采集基础知识数据采集基础知识
乾骚月股接蝉理殉嘲违穗栏轮梨雇锣戎闪煌塞逮吻骇亭伴片草惦膛嚷招否数据采集基础知识数据采集基础知识
A/D基本定义
足够的采样率下的采样结果
过低采样率下的采样结果
才火肺在烹这薄酌衙吞粤赛溜肾液佰絮襟象乙寅呛躺吴婪淖武皱暇缆妖魏数据采集基础知识数据采集基础知识
A/D基本定义
能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率） 解决方案 在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器
基本定义
A/D：模拟量-数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO ……
模拟信号数字化的基本原理及编码技术
模拟信号数字化的基本原理及编码技术一、模拟信号数字化的基本原理模拟信号是连续变化的，而数字信号是离散的。
因此，模拟信号数字化的过程就是将连续的模拟信号变为离散的数字信号。
这个过程主要包括采样、量化和编码三个步骤。
1. 采样采样是指将模拟信号在时间上进行离散化的过程。
具体来说，就是以一定的时间间隔对模拟信号进行取样，得到一系列的离散样本。
这些样本虽然在时间上是离散的，但在幅度上仍然是连续的。
采样定理指出，如果采样频率高于信号最高频率的两倍，就能够无失真地恢复出原始信号。
2. 量化量化是指将连续的幅度值转换为离散的数字量的过程。
具体来说，就是将取样得到的连续样本进行幅度上的离散化，将其转换为有限个离散的数字量。
这个过程会产生一定的量化误差，因此量化等级越高，误差就越小。
3. 编码编码是指将量化后的离散数字量转换为二进制代码的过程。
具体来说，就是将量化后得到的离散数字量转换为相应的二进制代码，实现模拟信号的数字化。
编码完成后，就可以进行数字信号的传输、存储和处理了。
二、模拟信号数字化的编码技术1. 脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（PCM）是一种常见的模拟信号数字化编码技术。
PCM通过对模拟信号进行采样、量化和编码，将其转换为数字信号。
PCM编码具有较高的压缩比，能够实现较高的音频和视频质量。
2. 增量脉冲编码调制（ΔPCM）增量脉冲编码调制（ΔPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对相邻样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
ΔPCM编码具有较低的压缩比，适用于一些对音频和视频质量要求较低的应用场景。
3. 增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）增量脉冲编码调制（ΣΔPCM）是一种结合了ΔPCM和PCM的编码技术，它通过对模拟信号进行过采样和噪声成形，提高了对微弱信号的检测和识别能力。
ΣΔPCM编码适用于一些对信号质量要求较高的应用场景，如高保真音频等。
4. 差分脉冲编码调制（DPCM）差分脉冲编码调制（DPCM）是一种基于PCM的编码技术，它通过对当前样本与前一个样本之间的差值进行编码，减少了需要传输的样本数量，从而降低了数据传输量。
模拟信号数字化的基本原理及编码技术
模拟信号数字化的基本原理及编码技术【实用版】目录一、引言二、模拟信号数字化的基本原理1.抽样2.量化3.编码三、模拟信号数字化的编码技术1.PCM 波形2.量化与编码示例四、模拟信号数字化的应用五、总结正文一、引言随着科技的发展，数字信号的应用已经越来越广泛。
数字信号的优势在于其抗干扰能力强，传输质量稳定，易于存储和处理。
然而，我们生活中所接触到的信号，如声音、图像等，大多都是模拟信号。
因此，如何将模拟信号转化为数字信号，已经成为了一个重要的研究课题。
模拟信号数字化的基本原理及编码技术就是为了解决这个问题。
二、模拟信号数字化的基本原理模拟信号数字化主要包括三个过程：抽样、量化和编码。
1.抽样：抽样是将连续的模拟信号在时间上离散化的过程。
抽样的目的是为了将模拟信号转化为数字信号，便于计算机处理。
抽样的间隔时间称为采样周期。
2.量化：量化是将抽样后的模拟信号在数值上离散化的过程。
量化的目的是将模拟信号的连续数值转化为有限的数字值，便于计算机存储和处理。
量化的过程通常使用 A/D 转换器来实现。
3.编码：编码是将量化后的数字信号用二进制代码表示的过程。
编码的目的是将量化后的数字信号转化为计算机能够识别和处理的二进制代码。
编码的方式有很多种，如努塞尔编码、韦弗编码等。
三、模拟信号数字化的编码技术模拟信号数字化的编码技术主要包括 PCM 波形和量化与编码示例。
1.PCM 波形：PCM 波形是一种用脉冲编码调制表示数字信号的方式。
PCM 波形可以根据不同的采样频率和量化位数来表示不同的音频、视频信号。
PCM 波形的主要优点是信号还原质量高，但是存储和传输所需的带宽较宽。
2.量化与编码示例：在实际应用中，为了节省存储空间和传输带宽，通常需要对模拟信号进行量化和编码。
例如，对于音频信号，可以使用 16 位或 24 位的量化位数来表示每个采样值，然后使用努塞尔编码或韦弗编码等方式来表示量化后的数字信号。
这样，可以大大节省存储和传输的带宽。
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1 ∝ 1 ∝ = ∑ X ( jΩ − jmΩ s ) = ∑ X [ j (Ω − m 2Tπ )] T m = −∝ T m = −∝
理想采样信号的频谱
2.几点说明
1 （1）频谱的幅度受 T
加权
2π （2）频谱产生了周期延拓，以 T 为间隔重复
X ( jΩ )
1
Ωm
1 T
− Ωm
t Ω s ≥ 2Ω m Ω s < 2Ω m
“只舍不入”的量化特性曲线与量化误差
“有舍有入”的量化过程
“有舍有入”的量化特性曲线与量化误差
1.3 编码
A/D单极性直接二进制编码
Vout = VFS [ ∑ (
n =1 N
an 2
n
)]
a N , a N −1 , L a2 , a1
Vmax = VFS ( 1 − 1 2
N
)
例：工作电压0～10V，12位A/D
s
∝
(1.1.5)
1 X ( jΩ ) = [ X ( jΩ) * ∆( jΩ)] 2π
将（1.1.4)和(1.1.5)代入上式：
∧
1 2π X ( jΩ ) = [ 2π T
∧
m = −∝
∑ δ (Ω − mΩ ) * X ( jΩ)]
s
∝
1 ∝ ∝ = ∑ ∫ X ( jθ )δ (Ω − mΩ s − θ )dθ T m = −∝ −∝
三、采样方式
实时采样 等效时间采样
实时采样
等效时间采样
1.2 量化
量化
把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比 较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该 幅值。
量化电平 量化误差
q=
VFSR 2
N
e = x S ( nTS ) − x q ( nTS )
“只舍不入”的量化过程
1 ∝ jm 2Tπ t − jΩt ∆( jΩ) = ∫ δ T (t )e − jΩt dt = ∫ ∑∝e ⋅ e dt −∝ −∝ T m=−
∝ ∝
1 ∝ ∝ − j ( Ω − mΩ s )t 2π = ∑ ∫ e dt = T m = −∝ −∝ T
m = −∝
∑ δ (Ω − mΩ )
− Ωs
Ωs
− Ωs
Ωs
高频与低频的混叠
3.如何由X(nTs)重构x(t)
工程上：D/A转换器 理论上：
X ( jΩ )
H ( jΩ)
Y ( jΩ )
T
− Ωs / 2
Ωs / 2
Ωs 2
− Ωs / 2
jΩt
Ωs / 2
− Ωs / 2
Ωs / 2
1 h(t ) = 2π
sin(Ω s t / 2) ∫− Ω2s Te dΩ = Ω st / 2 插值函数 ∝ sin[Ω s (t − nT ) / 2] y (t ) = x(nT ) ∗ h(t ) = ∑ x(nT ) Ω s (t − nT ) / 2 n = −∝
第一章 数据采集与模拟信号数字化
采样技术 量化 编码 孔径时间 数据采集系统
数字信号处理系统
信号转换过程
1.1 采样技术
采样过程 采样定理 采样方式
一、采样过程
1 模拟信号 、 X(t) 采样器 X(t) 离散的脉冲信号
t
Ts
t
2. 数学描述
xS (nTS ) = x (t )δ T (t ) = x(t )∑ δ (t − nTS )
Vmax =111 111 111 111=(9.9976)10(V)
Vmin =000 000 000 000=(0.0000)10(V)
1.4 孔径时间
正弦波信号
V = VFS sin 2πft
dV dt = 2πfVFS
∆V
t =0
∆V = TCONV
dV ⋅ dt
∆V = 2πfTCONV VFS
−∞ +∞
（1.1.1)
假设采样脉冲为理想脉冲
xS (nTS ) = ∑ x(nTS )δ (t − nTS )
−∞
+∞
（1.1.2)
只考虑正值时间
x S ( nTS ) = ∑ x( nTS )δ ( t − nTS )
n =0
+∞
(1.1.3)
二、采样定理(Sampling theory)
连续信号 X(t) 离散信号 X(nTs)
t =0
估计最大正弦频率
f max =
1 2 N +1πTCONV
Ta
孔径பைடு நூலகம்间与孔径误差
1.5 微型计算机数据采集系统
数据采集系统
一、单通道数据采集系统
A
低通滤波
程控放大
S/H
A/D
控制逻辑
DSP
二、多通道数据采集系统
S/H
S/H
MUX
A
A/D
DSP
S/H
2π
1 = T
∫
T /2
−T / 2
δ (t )e
jm 2π t T
− jm
2π t T
1 dt = T
∴
1 δ T (t ) = ∑ e T m = −∞
∞
时域采样信号是原始信号x(t)与脉冲序列的乘积
X(t)的频谱： 脉冲序列频谱：
X ( jΩ) = ∫ x(t )e − jΩt dt
−∞
∞
（1.1.4)
Nyquist（Shannon)采样定理：
要想采样后不失真地还原原信号，采样频 率必须大于原信号频谱中最高频率的两 倍，即
Ω s ≥ 2Ω m
1.推导过程
采样的脉冲序列
δ T (t ) = ∑ δ (t − nT ) =
−∞
+∞
m = −∞
∑c
∞
m
e
jm
2π t T
− jm t 1 T /2 ∞ cm = ∫ δ (t − nT )e T dt ∴ ∑ T −T / 2 n = −∞