数据采集与处理技术试卷讲解

一、绪论（一）、1、“数据采集”是指什么?将温度、压力、流量、位移等模拟量经测量转换电路输出电量后再采集转换成数字量后，再由PC 机进行存储、处理、显示或打印的过程。

2、数据采集系统的组成?由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。

3、数据采集系统性能的好坏的参数?取决于它的精度和速度。

4、数据采集系统具有的功能是什么?（1）、数据采集，（2）、信号调理，（3）、二次数据计算，（4）、屏幕显示，（5）、数据存储，（6）、打印输出，（7）、人机联系。

5、数据处理系统的分类?分为预处理和二次处理两种；即为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。

6、集散式控制系统的典型的三级结构?一种是一般的微型计算机数据采集系统，一种是直接数字控制型计算机数据采集系统，还有一种是集散型数据采集系统。

7、控制网络与数据网络的结合的优点?实现信号的远程传送与异地远程自动控制。

（二）、问答题：1、数据采集的任务是什么？数据采集系统的任务：就是传感器输出信号转换为数字信号，送入工业控制机机处理，得出所需的数据。

同时显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，还将被生产过程中的PC机控制系统用来控制某些物理量。

2、微型计算机数据采集系统的特点是（1）、系统结构简单；（2）、微型计算机对环境要求不高；（3）、微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本；（4）、微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；（5）、微型计算机的各种I/O模板及软件齐全，易构成系统，便于使用和维修；3、简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点？（1）、一般微型计算机数据采集与处理系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。

（2）、直接数字控制型数据采集与处理系统（DDC）是既可对生产过程中的各个参数进行巡回检测，还可根据检测结果，按照一定的算法，计算出执行器应该的状态（继电器的通断、阀门的位置、电机的转速等），完成自动控制的任务。

系统的I/O通道除了AI和DI外，还有模拟量输出（AO）通道和开关量输出（FDO）通道。

（3）、集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理，即用几台计算机分别控制若干个回路，再用监督控制计算机进行集中管理。

（三）、分析题：1、如图所示，分析集散型数据采集与处理系统的组成原理，系统有那些特点？集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理，即用几台DDC 计算机分别控制若干个回路，再用监督控制计算机对各DDC 进行集中管理。

集散式控制系统的分级规模可大可小，可以只有两级也可以多级。

集散型数据采集系统的特点：（1）、系统的适应能力强；（2）、系统的可靠性高；（3）、系统的实时响应性好；（4）、对系统硬件的要求不高。

二、模拟信号的数字化处理（一）、填空与选择题：1、在数据采集系统中同时存在着那两种不同形式的信号？ 离散数字信号和连续模拟信号2、保持的概念？3、传感器所测量到的连续模拟信号转换成离散的数字信号的步骤？ 连续的模拟信号转换为离散的数字信号，经历了两个断续过程： （1）.时间断续：采样 X(t) X s (nT s )（2）.数值断续：量化，即把采样信号X s(nT s )以最小数量单位的整倍数来度量. 信号转换过程如图所示4、采样周期Ts 决定采样信号的质量和数量:Ts 太小, X s (nT s )数量剧增,占用内存; Ts 太大, 模拟信号的某些信息被丢失.5、采样定理设有连续信号x(t),其频谱为X(f),以采样周期Ts 采得的离散信号为x s (nT s ) . 如果频谱X(f)和采样周期满足下列条件:(1).频谱X(f)为有限频谱,即当F1的绝对值大于等于fc(截止频率)时,x(f)=0;(2).则连续信号唯一确定.Fc 称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。

6采样定理中两个条件的物理意义（1）连续模拟信号x(t)的频率范围是有限的，即信号的频率f 在（2）采样周期Ts 不能大于信号周期Tc 的一半。

7、采样定理在时是不适应的。

例如,设连续信号为: πϕϕπ20);2sin()(≤≤+=fc A t x ，其采样值为:)2sin()(ϕπ+=fcnTs A nTs xs 当有 ϕϕπsin )1()2sin()(n s A fcnTs A nTs x -=+=，则当ϕ=0时,采样信号为零,无法恢复原模拟信号； 当1sin 0<<ϕ时,采样信号幅值小于原模拟信号；当1sin =ϕ时, 采样信号幅值等于原模拟信号. 8、频率混淆如果Ts 取的过大,使Ts>1/(2fc)时,将会出现x(t)中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象,这种现象称为频率混淆不产生频率混淆现象的临界条件是fs=1/Ts=2fc 。

或者说，当采样间隔一定时，不发生频率混淆的信号最高频率为fc=1/（2Ts ） 9、消除频率混淆的措施：1．对于频域衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法来解决。

2、对于频域衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决：低通滤波器。

10、采样控制方式的选择：fcTs 21≤∑--=ss ss s s T nT t T nT t nT x t x ππ*)(])sin[()()(cf f ≤≤01/(2)c f Ts =)/(Ts fc 21=（1）、无条件采样，仅适用于随时处于准备好状态的A/D 转换器，且要求CPU 与A/D 转换器同时工作。

（2）、中断方式（3）、查询方式 （4）、DMA 方式，有硬件完成数据的传送操作，常用于高速数据采集系统。

11、量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位来代替该幅值，这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。

量化单位定义为量化器满量程电压FSR 与2n 的比值，即2n FSRq =，其中n 为量化器位数。

12、完成量化和编码的器件是模/数（A/D ）转化器。

13、量化的方法有哪两种？ （1）、“只舍不入”的量化 ，信号幅值小于量化单位q 的部分一律舍去。

（2）、“有舍有入”的量化，采样信号幅值小于q/2的部分舍去，大于q/2的部分计入。

结论：经过量化之后，把原来幅值连续变化的采样模拟信号，变成了幅值为有限序列的量化信号。

经过量化后的信号，其精度取决于所选的量化单位q.14、量化误差：()()s s q s e x nT x nT =-，前为采样信号，后为量化信号。

（1）、“只舍不入”的量化误差：量化误差e 只能是正误差，它可以取0—q 之间的任意值。

最大量化误差e max =q,量化误差的方差是2212eq σ=，这表明：即使模拟信号x(t)为无噪声信号，经过量化器量化后，量化信号()q s x nT 将包含噪声212q。

量化误差的标准差为0.29e q σ=≈ （2）、“有舍有入”的量化误差，最大量化误差为2q，标准差与“只舍不入”的情况相同，即0.29e q σ=≈结论：量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法完全消除。

量化方法比较：“有舍有入”的方法比较好，因为“有舍有入”法德最大量化误差只有“只舍不入”法德1/2。

目前大部分A/D 转换器都是采用“有舍有入”的量化方法，但也有少数价格低廉的A/D 转换器，采用“只舍不入”的方法。

增加A/D 转换器的位数n 能减小量化误差，即增加A/D 的位数，减小量化误差。

编码1、编码是指把量化信号的电平用数字代码来表示。

2、单极性编码： （1）、二进制码是单极性编码中使用最普遍的编码，在这种码制中，一个十进制数D 的量化电平可表示为31223122222ni ni ni a a a a D a -===++++∑ 一个模拟输出电压用二进制表示为1221()2222ni nOUT i n i a a a a U FSR FSR ===+++∑最低有效位的值2n FSRLSB ==q.注意：由于二进制数码的位数n 是有限的，即使二进制码的各位1(1,2,,)i a i n ==，最大输出电压max U 也不与FSR 相等，而是差一个量化单位q ，可确定下式max 1(1)2n U FSR =-(2)、二-十进制编码（BCD 码）：是用一组四位二进制码来表示一位0-9的十进制数字。

例：一个电压按BCD 编码，则有12341234(842)(842)10100OUT FSR FSRU a a a a b b b b =++++++++BCD 编码常用超量程附加位，这样对A/D 转化器来说，量程需增加一倍。

（3）、格雷码：又称反射二进制码，优点是从一个数到下一个相邻的数只需改变一位，中间错误的变化就可避免。

二进制转换成格雷码的规律：从二进制码的最低两位开始，按异或规律定下格雷码的最低位，然后再用二进制码末前两位按异或规律定下格雷码的末前一位，如此往前推，最后可以定下全部格雷码。

所谓异或规律：相邻两数相同为“0”，不同时为“1”。

1、双极性编码： （1）、偏移二进制码是转化器最容易实现的双极性编码。

偏移情况：a)代码为“0000”时，表示模拟负满量程，即-FSR;b)代码为“1000”时，表示模拟零，即模拟零电压对应于2n-1数；c)代码为“1111”时，表示模拟正满量程值减1LSB ，即12n FSRFSR --。

偏移二进制码的优点：容易实现，容易换成2的二进制补码。

缺点：在零点附近会发生主码跃迁。

三、模拟多路开关1、 电子多路开关根据结构可分为双极性晶体管开关、场效应晶体管开关、集成电路开关三大类型。

2、多路开关的电路特性：1) 漏电流：通过断开的模拟开关的电源。

一般情况有 LON S R R R +，因而(1)()OE S S ON U n I R R =-+,式中n 是并联的模拟开关数， S I 是单个开关断 开时的漏电流。

2）动态响应见右图的多路开关动态响应的等效电路 其中T C 表示连到测试点的所有开关输出电 容OUT C 与负载电容L C 之和得时间常数()C S ON T T R R C =+,对时间常数C T 的RC 电路，其设定时间为100lns C t T =误差对于开关闭合时的带宽，设I T C C ,则该电路的带宽为3dB 12()S ON Tf R R C π=+3）源负载效应误差：指有信号源电阻S R 和开关导通电阻ON R 与多路开关所接器件的等效电阻L R 分压而引起的误差，等效电路如右图。

由于负载效应是一种分压作用，它使输出到L R 上的信号减小，因此应合理设计，开关所接器件的()LS ON R R R +,可根据,,S ON L R R R 计算出负载效应引起的衰减，然后用提高下集增益的方法加以补偿。