數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)試卷

1、一、緒論（一）、1、“數(shù)據(jù)采集”是指什么?將溫度、壓力、流量、位移等模擬量經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸出電量后再采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過(guò)程。2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成? 由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞的參數(shù)?取決于它的精度和速度。4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有的功能是什么? （1）、數(shù)據(jù)采集，（2）、信號(hào)調(diào)理，（3）、二次數(shù)據(jù)計(jì)算，（4）、屏幕顯示，（5）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，（6）、打印輸出，（7）、人機(jī)聯(lián)系。5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的分類(lèi)? 分為預(yù)處理和二次處理兩種；即為實(shí)時(shí)（在線）處理和事后（脫機(jī)）處理。6、集散式控制系統(tǒng)的典型

2、的三級(jí)結(jié)構(gòu)? 一種是一般的微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一種是直接數(shù)字控制型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還有一種是集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。7、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)?實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送與異地遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。（二）、問(wèn)答題 ：1、數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是什么？數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)：就是傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入工業(yè)控制機(jī)機(jī)處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)顯示、儲(chǔ)存或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，還將被生產(chǎn)過(guò)程中的PC機(jī)控制系統(tǒng)用來(lái)控制某些物理量。2、微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)是（1）、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）、微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境要求不高；（3）、微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本；（4）、微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)

3、采集系統(tǒng)可作為集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分；（5）、微型計(jì)算機(jī)的各種I/O模板及軟件齊全，易構(gòu)成系統(tǒng)，便于使用和維修； 3、簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式，并比較其特點(diǎn)？（1）、一般微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是由傳感器、模擬多路開(kāi)關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。（2）、直接數(shù)字控制型數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（DDC）是既可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，還可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按照一定的算法，計(jì)算出執(zhí)行器應(yīng)該的狀態(tài)（繼電器的通斷、閥門(mén)的位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)速等），完成自動(dòng)控制的任務(wù)。系統(tǒng)的I/O通道除了AI和DI外，還有模擬量輸出（AO）通道和開(kāi)關(guān)量輸出（FDO

4、）通道。（3）、集散式控制系統(tǒng)也稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)，總體思想是分散控制，集中管理，即用幾臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制若干個(gè)回路，再用監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理。（三）、分析題：1、如圖所示，分析集散型數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的組成原理，系統(tǒng)有那些特點(diǎn)？ 集散式控制系統(tǒng)也稱(chēng)為分布式控制系統(tǒng)，總體思想是分散控制，集中管理，即用幾臺(tái)DDC計(jì)算機(jī)分別控制若干個(gè)回路，再用監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)對(duì)各DDC進(jìn)行集中管理。集散式控制系統(tǒng)的分級(jí)規(guī)模可大可小，可以只有兩級(jí)也可以多級(jí)。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）、系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)；（2）、系統(tǒng)的可靠性高；（3）、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性好；（4）、對(duì)系統(tǒng)硬件的要求不高。 二、模擬信號(hào)的數(shù)字化處

5、理（一）、填空與選擇題：1、在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時(shí)存在著那兩種不同形式的信號(hào)？離散數(shù)字信號(hào)和連續(xù)模擬信號(hào)2、保持的概念？3、傳感器所測(cè)量到的連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)的步驟？連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了兩個(gè)斷續(xù)過(guò)程：（1）.時(shí)間斷續(xù)：采樣 X(t) à Xs(nTs)（2）.數(shù)值斷續(xù)：量化，即把采樣信號(hào)Xs(nTs)以最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來(lái)度量. 信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖所示4、采樣周期Ts決定采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量:Ts太小, Xs(nTs)數(shù)量劇增,占用內(nèi)存;Ts 太大, 模擬信號(hào)的某些信息被丟失.5、采樣定理設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t),其頻譜為X(f),以采樣周期Ts采得的離

6、散信號(hào)為xs(nTs) .如果頻譜X(f)和采樣周期滿足下列條件:(1).頻譜X(f)為有限頻譜,即當(dāng)F1的絕對(duì)值大于等于fc(截止頻率)時(shí),x(f)=0;(2).則連續(xù)信號(hào) 唯一確定.Fc稱(chēng)為截止頻率，又稱(chēng)為奈奎斯特頻率。6采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義（1）連續(xù)模擬信號(hào)x(t)的頻率范圍是有限的，即信號(hào)的頻率f在（2）采樣周期Ts不能大于信號(hào)周期Tc的一半。7、采樣定理在時(shí)是不適應(yīng)的。例如,設(shè)連續(xù)信號(hào)為: ，其采樣值為:當(dāng) 有 ，則當(dāng)=0時(shí),采樣信號(hào)為零,無(wú)法恢復(fù)原模擬信號(hào)； 當(dāng)時(shí),采樣信號(hào)幅值小于原模擬信號(hào)；當(dāng)時(shí), 采樣信號(hào)幅值等于原模擬信號(hào).8、頻率混淆如果Ts取的過(guò)大,使Ts>1

7、/(2fc)時(shí),將會(huì)出現(xiàn)x(t)中的高頻成分被疊加到低頻成分上去的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱(chēng)為頻率混淆不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件是fs=1/Ts=2fc。或者說(shuō)，當(dāng)采樣間隔一定時(shí)，不發(fā)生頻率混淆的信號(hào)最高頻率為fc=1/（2Ts）9、消除頻率混淆的措施：1 對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，可用提高采樣頻率的方法來(lái)解決。2、對(duì)于頻域衰減較慢的信號(hào)，可用消除頻混濾波器來(lái)解決：低通濾波器。10、采樣控制方式的選擇：（1）、無(wú)條件采樣，僅適用于隨時(shí)處于準(zhǔn)備好狀態(tài)的A/D轉(zhuǎn)換器，且要求CPU與A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作。（2）、中斷方式（3）、查詢(xún)方式（4）、DMA方式，有硬件完成數(shù)據(jù)的傳送操作，常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。11

8、、量化就是把采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較，以最接近于采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位來(lái)代替該幅值，這一過(guò)程稱(chēng)為“量化過(guò)程”，簡(jiǎn)稱(chēng)“量化”。量化單位定義為量化器滿量程電壓FSR與2n的比值，即，其中n為量化器位數(shù)。12、完成量化和編碼的器件是模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)化器。13、量化的方法有哪兩種？（1）、“只舍不入”的量化 ，信號(hào)幅值小于量化單位q的部分一律舍去。 （2）、“有舍有入”的量化，采樣信號(hào)幅值小于q/2的部分舍去，大于q/2的部分計(jì)入。結(jié)論：經(jīng)過(guò)量化之后，把原來(lái)幅值連續(xù)變化的采樣模擬信號(hào)，變成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。經(jīng)過(guò)量化后的信號(hào)，其精度取決于所選的量化單位q.14、

9、量化誤差：，前為采樣信號(hào)，后為量化信號(hào)。（1）、“只舍不入”的量化誤差：量化誤差e只能是正誤差，它可以取0q之間的任意值。最大量化誤差emax=q,量化誤差的方差是，這表明：即使模擬信號(hào)x(t)為無(wú)噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)量化器量化后，量化信號(hào)將包含噪聲。量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為（2）、“有舍有入”的量化誤差，最大量化誤差為，標(biāo)準(zhǔn)差與“只舍不入”的情況相同，即結(jié)論：量化誤差是一種原理性誤差，它只能減小而無(wú)法完全消除。量化方法比較：“有舍有入”的方法比較好，因?yàn)椤坝猩嵊腥搿狈ǖ伦畲罅炕`差只有“只舍不入”法德1/2。目前大部分A/D轉(zhuǎn)換器都是采用“有舍有入”的量化方法，但也有少數(shù)價(jià)格低廉的A/D轉(zhuǎn)換器，采用“只

10、舍不入”的方法。增加A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n能減小量化誤差，即增加A/D的位數(shù)，減小量化誤差。編碼1、編碼是指把量化信號(hào)的電平用數(shù)字代碼來(lái)表示。2、單極性編碼：（1）、二進(jìn)制碼是單極性編碼中使用最普遍的編碼，在這種碼制中，一個(gè)十進(jìn)制數(shù)D的量化電平可表示為 一個(gè)模擬輸出電壓用二進(jìn)制表示為 最低有效位的值=q.注意：由于二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n是有限的，即使二進(jìn)制碼的各位，最大輸出電壓也不與FSR相等，而是差一個(gè)量化單位q，可確定下式(2)、二-十進(jìn)制編碼（BCD碼）：是用一組四位二進(jìn)制碼來(lái)表示一位0-9的十進(jìn)制數(shù)字。例：一個(gè)電壓按BCD編碼，則有BCD編碼常用超量程附加位，這樣對(duì)A/D轉(zhuǎn)化器來(lái)說(shuō)，量程需增

11、加一倍。（3）、格雷碼：又稱(chēng)反射二進(jìn)制碼，優(yōu)點(diǎn)是從一個(gè)數(shù)到下一個(gè)相鄰的數(shù)只需改變一位，中間錯(cuò)誤的變化就可避免。二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成格雷碼的規(guī)律：從二進(jìn)制碼的最低兩位開(kāi)始，按異或規(guī)律定下格雷碼的最低位，然后再用二進(jìn)制碼末前兩位按異或規(guī)律定下格雷碼的末前一位，如此往前推，最后可以定下全部格雷碼。所謂異或規(guī)律：相鄰兩數(shù)相同為“0”，不同時(shí)為“1”。1、雙極性編碼： （1）、偏移二進(jìn)制碼是轉(zhuǎn)化器最容易實(shí)現(xiàn)的雙極性編碼。偏移情況：a)代碼為“0000”時(shí)，表示模擬負(fù)滿量程，即-FSR; b)代碼為“1000”時(shí)，表示模擬零，即模擬零電壓對(duì)應(yīng)于2n-1數(shù)； c)代碼為“1111”時(shí)，表示模擬正滿量程值減1LSB，

12、即。偏移二進(jìn)制碼的優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，容易換成2的二進(jìn)制補(bǔ)碼。 缺點(diǎn)：在零點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生主碼躍遷。三、模擬多路開(kāi)關(guān)1、 電子多路開(kāi)關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為雙極性晶體管開(kāi)關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)、集成電路開(kāi)關(guān)三大類(lèi)型。2、多路開(kāi)關(guān)的電路特性：1) 漏電流：通過(guò)斷開(kāi)的模擬開(kāi)關(guān)的電源。一般情況有 ，因而,式中n是并聯(lián)的模擬開(kāi)關(guān)數(shù)， 是單個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的漏電流。2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)見(jiàn)右圖的多路開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的等效電路其中表示連到測(cè)試點(diǎn)的所有開(kāi)關(guān)輸出電容與負(fù)載電容之和得時(shí)間常數(shù),對(duì)時(shí)間常數(shù)的RC 電路，其設(shè)定時(shí)間為對(duì)于開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的帶寬，設(shè),則該電路的帶寬為3）源負(fù)載效應(yīng)誤差：指有信號(hào)源電阻和開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與多路開(kāi)關(guān)所接器件的等效電阻分

13、壓而引起的誤差，等效電路如右圖。由于負(fù)載效應(yīng)是一種分壓作用，它使輸出到上的信號(hào)減小，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)所接器件的,可根據(jù)計(jì)算出負(fù)載效應(yīng)引起的衰減，然后用提高下集增益的方法加以補(bǔ)償。4、多路開(kāi)關(guān)的配置（1）單端接法：是把所有的輸入信號(hào)源的一端接至同一個(gè)信號(hào)地，然后再將信號(hào)地與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地相接。A接法可保證系統(tǒng)的共模抑制能力，而無(wú)需減少一半的通道數(shù)；B接法系統(tǒng)的共模抑制能力基本未發(fā)揮，但是系統(tǒng)可以得到最大的通道數(shù)。（2）雙端接法：是把所有的輸入信號(hào)源的兩端各自分別接至多路開(kāi)關(guān)的輸入端當(dāng)信號(hào)源的信噪比較小時(shí)，必須使用此接法，此接法抗共模抑制能力強(qiáng)，適用于采集低電平信號(hào)，但實(shí)際通道數(shù)只有單端

14、接法的一半。應(yīng)該指出：多路開(kāi)關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)會(huì)發(fā)生瞬變現(xiàn)象，是輸出產(chǎn)生短暫的尖峰電壓，如果此時(shí)采集多路開(kāi)關(guān)輸出的信號(hào)，就會(huì)引起誤差。四、測(cè)量放大器1、 測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，強(qiáng)抗共模干擾能力，低溫漂，低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益的特點(diǎn)。2、 測(cè)量放大器的電路原理：如右圖（1）測(cè)量放大器的增益 為提高共模抑制比和降低溫漂影響，測(cè)量放大器采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，即,則 3、測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）非線性度：是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。它與增益有關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度的影響很大。在選擇測(cè)量放大器時(shí)，一定選擇非線性度偏差小

15、于0.024%的測(cè)量放大器。（2）溫漂：指測(cè)量放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。它也與測(cè)量放大器的增益有關(guān)。（3）建立時(shí)間：指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至測(cè)量放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。它隨增益的增加而上升。（4）恢復(fù)時(shí)間：是指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值隨需的時(shí)間。它直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。（5）電源引起的失調(diào)：是指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值，測(cè)量放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。（6）共模抑制比 當(dāng)放大器兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化值時(shí)，在放大器輸出端測(cè)量出電壓

16、變化值，則共模抑制比CMRR可為五、 采樣/保持器1、采樣/保持器是一種具有信號(hào)輸入、信號(hào)輸出以及由外部指令控制的模擬門(mén)電路，它主要由模擬開(kāi)關(guān)K、電容和緩沖放大器A組成。2、采樣/保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，它具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：（1）跟蹤狀態(tài)。在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保持指令為止；（2）保持狀態(tài)。對(duì)接收到的指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。3、在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采集系統(tǒng)中，采樣/保持器主要以下兩種作用：（1）“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號(hào)，以利于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以減少采樣誤差。（2）用來(lái)儲(chǔ)存模擬多路開(kāi)關(guān)輸

17、入的模擬信號(hào)，這樣可使模擬多路開(kāi)關(guān)繼續(xù)切換下一個(gè)待轉(zhuǎn)換的信號(hào)。4、采樣/保持器按結(jié)構(gòu)可分為兩種類(lèi)型：串聯(lián)型和反饋型。（1）串聯(lián)型采樣/保持器串聯(lián)型采樣/保持器的結(jié)構(gòu)原理如下圖，圖中和分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提采樣/保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗以便與信號(hào)源和負(fù)載連接；K是模擬開(kāi)關(guān)，它由控制信號(hào)電壓控制其斷開(kāi)或閉合；是保持電容器。串聯(lián)型采樣/保持器的有點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。串聯(lián)型型采樣/保持器的缺點(diǎn)：它的失調(diào)電壓為兩個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到型采樣/保持器的精度。另外，它的跟蹤速度也較低。（2）反饋型型采樣/保持器反饋型型采樣/保持器的結(jié)構(gòu)如下圖，其輸出電壓反饋到輸入端，使和共同組成一個(gè)

18、跟蹤器。注意：在保持狀態(tài)，由于是閉合的，放大器的輸出仍在跟蹤輸入，避免開(kāi)環(huán)而進(jìn)入飽和，使得當(dāng)采樣/保持器再次轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)時(shí)，能立即跟蹤。5、孔徑時(shí)間：孔徑時(shí)間是指保持指令給出瞬間到模擬開(kāi)關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間。6、孔徑不定：孔徑不定是指孔徑時(shí)間的變化范圍?？讖綍r(shí)間只是使采樣時(shí)刻延遲，如果每次采樣的延遲時(shí)間都相同，則對(duì)總的采樣結(jié)果的精確性不會(huì)有影響。但若孔徑時(shí)間在變化，則對(duì)精度就會(huì)有影響。如果改變保持指令發(fā)出的時(shí)間，可將孔徑時(shí)間消除。7、捕捉時(shí)間：捕捉時(shí)間是指當(dāng)采樣/保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采樣/保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時(shí)間，它包括邏輯輸入開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間、保持電容

19、的充電時(shí)間、放大器的設(shè)定時(shí)間等。8、電荷轉(zhuǎn)移偏差電荷通過(guò)寄生電容轉(zhuǎn)移到電容器上引起的，可通過(guò)加大保持電容器容量來(lái)克服。不過(guò)當(dāng)增大保持電容時(shí)，也增大了采樣/保持器的響應(yīng)時(shí)間。采樣/保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質(zhì)量。9、如果在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，正弦信號(hào)變化不超過(guò)1LSB所代表的電壓，則在條件下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：(為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間)如果允許信號(hào)變化為,則系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：例：已知A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為ADC0804，其轉(zhuǎn)換時(shí)間=100（時(shí)鐘頻率為640kHz）,位數(shù)n=8，允許信號(hào)變化為，計(jì)算系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率。解：此例說(shuō)明無(wú)采樣/保持器的系統(tǒng)只能對(duì)頻率低于

20、6.22Hz的信號(hào)進(jìn)行采樣。10、如果正弦信號(hào)電壓的最大變化不超過(guò)1LSB所代表的電壓，則在n位A/D轉(zhuǎn)換器前加上采樣/保持器后，系統(tǒng)可采集的信號(hào)最高頻率為：如果允許正弦信號(hào)電壓的最大變化為，則系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：11、系統(tǒng)課處理的最高輸入信號(hào)頻率應(yīng)為：式中：-采樣/保持器的捕捉時(shí)間； -采樣/保持器的最大孔徑時(shí)間（包括抖動(dòng)時(shí)間）； -A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。六、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器1、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種器件，它把采集到的采樣模擬信號(hào)經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。2、A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)(1)直接比較型：將輸入的采樣模擬量直接與座位標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓相比較，得到可按數(shù)字編碼的離散量或直接得

21、到數(shù)字量。 這種類(lèi)型包括連續(xù)比較、逐次逼近、斜波（或階梯波）電壓比較等，其中最常見(jiàn)的是逐次逼近型。（2）簡(jiǎn)介比較型：輸入的采樣模擬量不是直接與基準(zhǔn)電壓比較，而是將二者都變成中間物理量再進(jìn)行比較，然后將比較得到的時(shí)間（t）或頻率（f）進(jìn)行數(shù)字編碼。例如：雙斜式、脈沖調(diào)寬型、積分型、三斜率型、自動(dòng)校準(zhǔn)積分型等。2、分辨率：分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換起所能分辨模擬輸入信號(hào)的最小變化量。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為：另外，也可以用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示分辨率，此時(shí)的分辨率稱(chēng)為相對(duì)分辨率。相對(duì)分辨率定義為：3、量程：量程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。4、精度：

22、A/D轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。（1）絕對(duì)精度：絕對(duì)精度定義為對(duì)應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。 在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，量化帶內(nèi)的任意模擬輸入電壓都能產(chǎn)生同一輸出數(shù)碼，上述定義則限定為量化帶中點(diǎn)的模擬輸入電壓值。 絕對(duì)誤差一般在范圍內(nèi)。絕對(duì)誤差包括增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，也包括量化誤差。（2）相抵精度：相對(duì)精度定義為絕對(duì)精度與滿量程電壓值之比的百分比：5、注意：精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念，精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬信號(hào)的最小變化值。6、轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率（1）轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)

23、換為數(shù)字信號(hào)并輸出所需要的時(shí)間。（2）轉(zhuǎn)換速率是指能重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒鐘的次數(shù)。7、可見(jiàn)當(dāng)精度一定時(shí)，信號(hào)頻率越高，要求的轉(zhuǎn)換時(shí)間也就越短；若信號(hào)頻率一定，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越小。 對(duì)于平均值的轉(zhuǎn)換，被轉(zhuǎn)換的采樣模擬量是直流（或緩慢變化）電壓，而干擾則是交變的，因此轉(zhuǎn)換一次的時(shí)間越長(zhǎng)，其抑制干擾的能力就越強(qiáng)。換言之，平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是在犧牲轉(zhuǎn)換時(shí)間的情況下提高轉(zhuǎn)換精度的。8、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器（1）工作原理：它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、基準(zhǔn)電源、時(shí)序與邏輯控制電路等部分組成。9、工作過(guò)程：見(jiàn)課本P8310、8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：見(jiàn)課本P8

24、611、12位A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD547A：見(jiàn)課本P8912、A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口的主要任務(wù)有兩個(gè)：（1）A/D轉(zhuǎn)換器每接收一次微機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)換指令，就進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換；（2）當(dāng)微機(jī)發(fā)出取數(shù)據(jù)指令時(shí)，轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器的輸出寄存器中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線存入微機(jī)存儲(chǔ)器的指定單元。13、A/D轉(zhuǎn)換器在與微機(jī)接口時(shí)，需要解決以下三個(gè)問(wèn)題：（1）A/D轉(zhuǎn)換器輸出到總線的數(shù)據(jù)需加緩沖，以免對(duì)數(shù)據(jù)總線的工作造成干擾；（2）產(chǎn)生芯片選通信號(hào)和控制信號(hào)；（3）從A/D轉(zhuǎn)換器讀出數(shù)據(jù)。14、A/D574A與8031的接口15、例：編寫(xiě)采用查詢(xún)法完成一次A/D轉(zhuǎn)換的程序解 程序清單如下： ORG 0500

25、HSTART: MOV DPTR.,#8000H MOV R0,#0FCH MOVX R0,ALOOP: JB P1.0,LOOP MOV R0,#0FEH MOVX A,R0 MOVX DPTR,A INC R0 INC DPTR MOVX A,R0 MOVX DPTR,A RET七、 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器1、D/A轉(zhuǎn)換器主要有兩大類(lèi)型：并行D/A轉(zhuǎn)換器和串行轉(zhuǎn)換器（1）并行D/A轉(zhuǎn)換器 并行D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，對(duì)應(yīng)數(shù)碼的每一位都有輸入端，用以控制相應(yīng)的模擬切換開(kāi)關(guān)把基準(zhǔn)電壓接到電阻網(wǎng)絡(luò)。并行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度很快，只要在輸入端加入數(shù)字信號(hào)，輸出端立

26、即有相應(yīng)的模擬電壓輸出。它的轉(zhuǎn)換速度與模擬開(kāi)關(guān)的通斷速度、電阻網(wǎng)絡(luò)的寄生電抗和運(yùn)算放大器的輸出頻率有關(guān)，但主要決定于后者。（2）串行D/A轉(zhuǎn)換器 串行D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖如下圖：注：詳細(xì)講解見(jiàn)課本P1142、D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成（1）電阻網(wǎng)絡(luò)（2）基準(zhǔn)電源：在D/A轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)電源的精度直接影響D/A轉(zhuǎn)換器的精度。（3）模擬切換開(kāi)關(guān)（4）運(yùn)算放大器：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端一般都接有運(yùn)算放大器，其作用有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各支路電流進(jìn)行求和，另一個(gè)是為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)阻抗低、負(fù)載能力強(qiáng)的輸出。3、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為最小輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字

27、量只有最低有效位為“1”）與最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位全為“1”）之比。（2）精度：精度分為絕對(duì)精度與相對(duì)精度兩種。 絕對(duì)精度是指輸入滿量程數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，該偏差一般應(yīng)小于。 相對(duì)精度是指絕對(duì)精度與額定滿量程輸出值的比值。相對(duì)精度有兩種表示方法：一種是用偏差多少LSBA來(lái)表示；另一種是用該偏差相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。（3）線性誤差：線性誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換特性曲線與理想之間的最大偏差。（4）建立時(shí)間：建立時(shí)間是指D./A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化（即從全“0”變成全“1”）時(shí)，其輸出模擬量值達(dá)到范圍所需的時(shí)間。（5）單調(diào)性 （6）溫度系

28、數(shù) （7）電源抑制比 （8）輸出電平 （9）輸入代碼 （10）輸入數(shù)字電平（11）工作溫度4、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的方法是先把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電流，然后再把模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。5、T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器的突出特點(diǎn)是：（1） 當(dāng)數(shù)字量相應(yīng)位為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)該位的支路電流進(jìn)入求和放大器的輸入端；當(dāng)數(shù)字量相應(yīng)位為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)該位餓支路電阻入地，從根本上消除尖峰脈沖的產(chǎn)生。（2） 為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度，可以使每個(gè)支路流過(guò)電阻2R的電流保持恒定，即不論輸入數(shù)字量的各位是“0”還是“1”，對(duì)應(yīng)支路電流的大小不變。 T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

29、i轉(zhuǎn)換速度比較快。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的尖峰脈沖很小，使得T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)換器成為目前D/A轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。附：1、分辨率它說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 2、轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。 3、系統(tǒng)的分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小的變化量。 4、A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。其倒數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器每秒完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱(chēng)轉(zhuǎn)換速率。 5、多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成？每個(gè)通道都帶有獨(dú)自的采樣/保持器、信號(hào)調(diào)理電路直接送到計(jì)算機(jī)中去。6、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成

30、一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)和時(shí)鐘脈沖頻率的關(guān)系？位數(shù)愈多，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短。7、如圖，試述采樣與保持的工作原理？如圖所示當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，輸入模擬量對(duì)電容C充電，這是采樣過(guò)程；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電容C上的電壓保持不變，這是保持過(guò)程。8、簡(jiǎn)答題：為什么A/D轉(zhuǎn)換需要采樣、保持電路？信號(hào)采集通道中是否需要采樣/保持器的依據(jù)是什么？依據(jù)是：模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束到輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在此轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有保證，能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。9、分析題：3-1、如圖逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器的工作原理？答：工作原理：逐次比較型A/

31、D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。 10、計(jì)算題例：3-1、若一理想的3 位ADC滿刻度模擬輸入為10 V，當(dāng)輸入為7V時(shí)，求此ADC采用自然二進(jìn)制編碼時(shí)的數(shù)字輸出量。3-2、設(shè)某12位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0- +5V，求出當(dāng)輸入模擬量為下列值時(shí)輸出的數(shù)字量：（1）1.25V； （2）2V； （3）2.5V（4）3.75V； （5）4V； （6）5V 1.因?yàn)椋? 位ADC滿刻度模擬輸入為10 V的輸出量：精確度：10-10*1/23= 10*7/8=8.75(V) 所以：10/7=8.75/x；x=7*8.75/

32、10=6.125(V)2.N=（212-1）U/UM UM =5V； 212 =4096解：N=（212-1）*1.25/5=1023.75210；同理以此類(lèi)推。 一、填空選擇題：1、模擬量輸入通道的任務(wù)是什么？把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。2、模擬多路開(kāi)關(guān)的工作原理？模擬多路開(kāi)關(guān)是一種重要器件，在多路被測(cè)信號(hào)共用一路A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常用來(lái)將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便PC機(jī)能對(duì)多路被測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理。3、程控增益放大器的工作原理？利用PC機(jī)采用軟件控制的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)變換。4、跨接器的作用？短接 。二、計(jì)算題4-1、某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有8

33、個(gè)模擬通道。各通道輸入信號(hào)的頻率可達(dá)5kHZ，而且至少要用每個(gè)采樣周期10個(gè)采樣點(diǎn)的速度進(jìn)行采樣。問(wèn)：（1）多路開(kāi)關(guān)的切換速率應(yīng)是多少？（2）可選用什么類(lèi)型的多路開(kāi)關(guān)？答：選用AD7501單片集成的CMOS 8選1多路模擬開(kāi)關(guān)。切換速率為：t=1/5=0.2ms；v=10/0.2=50(kbt)二、填空與選擇題 :1、（CPU）和外設(shè)之間輸入/輸出數(shù)據(jù)的傳送方式通常有哪二種？各起什么作用？程序控制傳送方式；中斷傳送方式 。 無(wú)條件傳送方式假設(shè)外設(shè)已做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，CPU不必預(yù)先查詢(xún)外設(shè)的狀態(tài)。 在查詢(xún)傳送方式下，CPU要不斷地查詢(xún)外設(shè)，當(dāng)外設(shè)沒(méi)有準(zhǔn)備好時(shí)，CPU要等待，致使CPU的利用率不

34、高。2、串行通信的三種制式？其工作方式如何？為單工、半雙工和全雙工三種制式 。3、異步串行通信接口主要有哪幾個(gè)？RS-232接口；RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA電流環(huán)。4、接口電路的作用？由于CPU與外設(shè)之間速度不匹配等原因，在主機(jī)和外設(shè)之間需要加入接口電路 。三、簡(jiǎn)答題：1、CPU與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的查詢(xún)式輸入輸出方式以及中斷方式輸入輸出的流程？2、RS-449與RS-232C的主要區(qū)別？答：1、2. RS-232C是利用傳輸信號(hào)與公共地的電壓差，RS-449是利用信號(hào)導(dǎo)線之間的信號(hào)電壓差。 RS-449規(guī)定了兩種接口標(biāo)準(zhǔn)連接器，一種為37腳，一種為9腳。 RS-

35、449比RS-232C傳輸速率高，通信距離長(zhǎng)，噪聲低, RS-449通信電纜可與多個(gè)設(shè)備并聯(lián)。四、分析題1、結(jié)合圖分析說(shuō)明AD574的12位ADC轉(zhuǎn)換器及接口電路的工作過(guò)程，編寫(xiě)完成一次A/D轉(zhuǎn)換的接口程序。 四、分析題 1、一、填空與選擇題： 1、內(nèi)部或外部噪聲對(duì)有用信號(hào)的不良作用。 2、傳導(dǎo)耦合，靜電耦合，電磁耦合，公共阻抗耦合。 3、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的參考接地點(diǎn)與PC機(jī)系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接地點(diǎn)之間存在一個(gè)電位差Ucm。這個(gè)電位差Ucm是加在放大器輸入端上共有的干擾電壓，故稱(chēng)共模干擾電壓。措施具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。 4、即噪聲源、有對(duì)噪聲敏感的接收電路和兩者之間的耦合通道。 5、浮置是指把儀器中的信號(hào)放大