數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

1、計算機數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)1-8 章課后習(xí)題答案馬明建 第三版第一章 緒論1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)： 答：數(shù)據(jù)采集的任務(wù)就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號， 然 后送入計算機進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理， 得出所需數(shù)據(jù)。 同時， 將計算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或 打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視， 其總一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng) 用來控制某些物理量。（ P15）1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)哪些基本功能 ?.答：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下9個方面的基本功能：數(shù)據(jù)采集；模擬信號處理；數(shù)字信號處理； 開關(guān)信號處理； 二次數(shù)據(jù)計算； 屏幕顯示； 數(shù)據(jù)存儲； 打印輸出； 人機聯(lián)系

2、。 （P15）1.3 簡述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式，并比較其特點。答：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式主要有兩種： 一種是微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 另一種是 集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 技術(shù)容易實現(xiàn)， 滿足中小規(guī)模數(shù)據(jù)采集 要求； 對環(huán)境要求不高； 價格低廉， 系統(tǒng)成本低； 可座位集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個基本組 成部分；其相關(guān)模板和軟件都比較齊全，容易構(gòu)成西歐它能夠，便于使用與維修。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)適應(yīng)能力強；系統(tǒng)可靠性高；系統(tǒng)實時響應(yīng)性好； 對系統(tǒng)硬件要求不高；特別適合在惡劣環(huán)境下工作。（P16）1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件功能模塊是如

3、何劃分的？各部分都完成哪些功能？ 答：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件功能模塊一般由以下部分組成：（1）模擬信號采集與處理程序。其主要功能是對模擬輸入信號進(jìn)行采集、標(biāo)度變換、濾 波處理以及二次數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)存入磁盤。（2）數(shù)字信號采集與處理程序。其功能是對數(shù)字輸入信號進(jìn)行采集及碼制之間的轉(zhuǎn)換。（3）脈沖信號處理程序。其功能是對輸入的脈沖信號進(jìn)行電平高低判斷和計數(shù)。（4）開關(guān)信號處理程序。其功能是判斷開關(guān)信號輸入狀態(tài)變化情況，若發(fā)生變化，則執(zhí) 行相應(yīng)的處理程序。（5）運行參數(shù)設(shè)置程序。其功能是對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。（6）系統(tǒng)管理（主控）程序。其功能是將各個模塊程序組織成一個程序系統(tǒng)，并管理和 調(diào)

4、用各個功能模塊程序，其次是用來管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。（7）通信程序。其功能是設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率（速率），上位機向數(shù)據(jù)采集站群發(fā)送機號，上位機接收和判斷數(shù)據(jù)采集站發(fā)揮的機號，命令相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站傳送數(shù)據(jù)，上 位機接受數(shù)據(jù)采集站傳送來的數(shù)據(jù)。（P20）1.5模擬信號處理程序的主要任務(wù)是什么？答：模擬信號處理程序的主要任務(wù)是對模擬輸入信號進(jìn)行采集、標(biāo)度變換、濾波處理以及二次數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)存入磁盤。（P20）1.6數(shù)據(jù)處理的類型有哪些？答：數(shù)據(jù)處理的類型一般按一下方式分類：按處理方式劃分，數(shù)據(jù)處理可分為實時（在線）處理和事后（脫機）處理。按處理的性質(zhì)劃分，數(shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理和二次處理兩種。

5、（P21）1.7數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是什么？答：數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)有以下幾點：（1）對采集到的電信號做物理量解釋（2）消除數(shù)據(jù)中的干擾信號（3） 分析計算數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征（P22）第二章模擬信號的數(shù)字化處理2.1什么叫采樣？ （ P24）采樣頻率如何確定？ （P26）2.2試說明，為什么在實際采樣中，不能完全滿足采樣定理一所規(guī)定的不失真條件? 解：若模擬信號為一 '模擬信號的采樣值為jcs(nrs)=4(一1)" sin p只有在廠 時，Xs（nTs）與x（t）的幅值才相同。但在工程上很難做到。（P29）2.3對某種模擬信號 x（t），采樣時間間隔 TS分別為4ms、8ms、16

6、ms，試求出這種模擬 信號的截止頻率 fC 分別為多少？解：由采樣定理fs2 fc ,有fc當(dāng) TS=4ms 時,fS=250Hz. fC250125 Hz當(dāng) TS=8ms 時,fS=125Hz. fC當(dāng) TS=16ms時，fS=62.5Hz. fC2125262 562531.25Hz262.5 Hz2.4采樣周期與哪些因素有關(guān)？如何選擇采樣周期?解：（1）采樣周期與信號 x（t）的截止頻率fC有關(guān)。（2）根據(jù)采樣定理2fc,確定采樣周期。2.5什么叫做量化？答：量化是指把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一些列整倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來代替該幅值。這一過程稱為“

7、量化過程”，簡稱“量化”。（P41）2.6對采樣信號進(jìn)行量化的最小數(shù)量單位是多少？它與FSR和量化器的位數(shù)n之間有何關(guān)系？答：最小數(shù)量單位是量化單位q, q =FSR2nq與FSR成正比，與2n成反比。2.7絕對誤差OLSB是否絕對無誤差，其意義如何？絕對誤差為1/8LSB，其意義如何?答：不是無誤差，LSB表示數(shù)碼的最右端的位即最低有效位;LSB=q=FSR2n，根據(jù)量化單位q的定義知：LSB代表n位二進(jìn)制分?jǐn)?shù)碼所能分辨的最小模擬量。2.8什么叫做編碼？答：編碼是指把量化信號的電平用數(shù)字代碼表示。（P47）2.9把十進(jìn)制256轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 BCD碼。答：（256）=（ 10 0101 011

8、0）2.10用2的補碼計算表達(dá)式“ 16-5”的值。答：16-5=16+（-5）=（10000）B+（11011）B=（01011）B（不考慮進(jìn)位）第三章模擬多路開關(guān)3.1模擬多路開關(guān)的接通電阻 Ron比一般的電子開關(guān)更大還是更?。看穑耗M多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻一般比較大 ，理論數(shù)值為小于 100歐姆。（而且該導(dǎo)通電阻隨 溫度的變化而變化）。而電子開關(guān)（比如干簧管）的導(dǎo)通電阻比較小， 其導(dǎo)通電阻趨向于0, 可看作理想的開關(guān)。模擬開關(guān)是通過數(shù)字量來控制傳輸門（TG）的接通和斷開以傳輸數(shù)字信號或模擬信號的開關(guān)。它具有功耗低、速度快、體積小、無機械觸點及使用壽命長等優(yōu)點，因此在一定程度上 可以用來代替繼

9、電器。它的缺點是導(dǎo)通電阻不夠?。◣资翈装贇W），斷開時仍有泄露電流（約0.1）,且通過的電流一般為毫安級。3.2模擬多路開關(guān)輸入端一般是幾個端子？輸出端為幾個端子的通道選擇器？答：模擬多路開關(guān)輸入端一般是8個端子，輸出端為 1個端子的通道選擇器。問:3.3某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有 8個模擬通道，各通道輸入信號頻率可達(dá) 5kHz,而且至少要用每個 采樣周期10個采樣點的速度進(jìn)行采樣，（1）多路開關(guān)的切換速率應(yīng)是多少？（2）可選用什么類型的多路開關(guān)？解： fc = 5 kHz,采樣頻率fs2fc 25 1031 104 (Hz)采樣周期Ts T10 4(s)0.0001 (s)每個采樣點的采樣周期TdT

10、s100.0001100.00001 (s)1.切換速率vTd0.00001100000(Hz) 100(kHz)由表3.5可知，CD4051的ton和toff都為0.8卩s1則CD4051開關(guān)的切換時間為1.6卩s，開關(guān)的切換速率1.6丄 6625000 625kHz10多路開關(guān)選擇CD4051。3.4某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求有 20個模擬通道, 阻不到1歐，各通道信號的頻率為 2.5kHz,（1）開關(guān)的切換率應(yīng)是多少？（2）采用什么樣的多路開關(guān)式合適的？信號電平范圍為要求每個采樣周期至少采100mv ,并要求開關(guān)的導(dǎo)通電5個采樣點，問：答：(1) fc=2.5Hz, fs 2fc5Hz,Ts10

11、.2s,tsTs0.04s51切換頻率為25ts（2）可選用CD4501的多路開關(guān)，將3片CD4501加以組合，用門電路組成地址譯碼器 3個選址信號，分別接各片的禁止端，擴展通道數(shù)為24個，選用其中20個。第四章測量放大器4.1為什么要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用測量放大器？答：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 來自傳感器的模擬信號通常很微弱，遠(yuǎn)小于一般運算放大器的輸入失調(diào)電壓和溫漂電壓。因此這些信號不能用一般運放進(jìn)行放大，而必須用低溫漂，低失調(diào)電壓高穩(wěn)定增益且抗共模干擾能力強的測量放大器進(jìn)行放大。4.2設(shè)一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有測量放大器，已知R1=R2=5k Q, Rg=100k Q, R4=10k Q, R5=20k

12、Q,若R4和R5的精度為0.1%，試求次放大器的增益及CMRR.解：R3=R4=100002R RRgR31 2500010020000 20210000CMRR=20log VcmVn20log20220 2305 46.14.3設(shè)AD521測量放大器的增益為100 ,試畫出其接線原理圖，算出外接電阻值的大小。解:當(dāng)放大器的增益當(dāng)二又 RS = 100± 15%當(dāng) RS = 100+15%寸,(I00 + 100xl5%)xl0j=1 1?012100當(dāng) RS = 10015%時,(100-100xl5%)xl051004.4試分析圖4-2測量放大器輸入級兩運放的輸入失調(diào)電壓大小對

13、測量放大器性能指標(biāo)的 影響。要提高測量放大器的性能，對其三個運放的性能有什么特殊要求？答：輸入級A1 A2的失調(diào)電壓互相抵消，A1 A2的特性不完全對稱時其失調(diào)電壓的參值。經(jīng)過放大后被送往A3,要提高測量放大器的性能應(yīng)盡量使A1 A2的特性互相對稱。4.5設(shè)計一個由8301單片機程控隔離放大器增益的接口電路。已知輸入信號小于10mV ,要求當(dāng)輸入信號小于 1mV時，增益為1000，而輸入信號每增加 1mV時，其增益自動減至 原來的1/2.第五章采樣/保持器5.1采樣/保持器在模擬信號頻率很低時，是否有必要使用？在模擬信號頻率很高時呢，為什么？答：輸入信號頻率很低時，由于在 A/D轉(zhuǎn)換過程中模擬

14、信號的電壓幾乎不變，因而不必使 用采樣保持器。當(dāng)模擬信號頻率很高時，由于信號電平變化很快，必須使用采樣保持器以穩(wěn)定轉(zhuǎn)換電平。5.2采樣頻率fs高時，保持電容應(yīng)取大些還是小些？答：采樣保持器的捕捉時間tAc受保持電容Ch的影響，Ch越大，tAc越長，當(dāng)采樣頻率fs很高時，必須使用較小的 Ch ,以減少tAc，提高fs。5.3采樣/保持器是否具有放大功能？其放大值由什么決定？答：采樣保持器具有放大功能，通常其放大倍數(shù)由相關(guān)外接電阻決定。5.4孔徑時間tAP影響A/D轉(zhuǎn)換的什么參數(shù)答：孔徑時間tAP主要影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。5.5捕捉時間tAc影響A/D轉(zhuǎn)換的什么參數(shù)答：捕捉時間主要影響 A/D轉(zhuǎn)換

15、的采樣速率。5.6設(shè)在某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣 /保持器的孔徑時間tAP 10ns，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為12，1求：（1 ）采樣精度能達(dá)到LSB的最高信號頻率fmax是多少？（ 2 ）若采樣/保持器的孔徑2不定tAP nS,則最高信號頻率fmax是多少？解：(1) fmax2n 1 十 3.89(kHZ)2tapmax12n1 (tap1 tap)3.70(kHz)5.7 一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的孔徑時間tAP 2ns,試問一個10kHz信號在其變化率最大點被采樣時所能達(dá)到的分辨率是多少？解:max2fl =10xl03x3 I4x2xI0-9 _16025所以:= -xlOO%相對分辨率=-xlOO

16、% = 0.00624% 16025.641則有n 14 5.8設(shè)一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入滿量程電壓為 +10V ,模擬輸入信號的最高頻率是 1kHz ,采樣 頻率為10kHz , A/ D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為 10 s，采樣/保持器的tAP=20ns，保持電 壓的下降率為100V/S，捕捉時間為50s。問：如果允許的孔徑誤差和下降誤差都是0.02%，所選的采樣/保持器能否滿足要求？ 捕捉時間能否滿足要求？解：（1） 由于采樣/保持器孔徑時間應(yīng)滿足tAPLSB2dUm axdt 保持電壓下降率應(yīng)滿足? t CONV LSB輸入信號的最大變化率為dUdtmax? f ?U m由有dUdt33.141

17、103 10331 .4 103 (V)m ax由有1LSB2dUdtCONV(100 100 0.02 %) 1010 10dt2(V)由有tAp99.98 10 1131.4 1033.184 101453.18410 (ns)t APt AP所選的采樣/保持器不滿足要求。則t AC而t ACT t AC t ST t CONVTs10110 310 5t CONV9 10101069105 s解:保持電壓下降率為CH的漏電流ID=10nA，保持時間為0.1%，試選擇合適的 CH10ns。值。捕捉時間滿足要求。5.9設(shè)一采樣/保持器在保持階段，保持電容如果希望在保持時間內(nèi)采樣/保持器的輸出

18、電壓下降小于AU _ 10x100,1%AT= CH <10xl0-v= lxlO_13F】D乂10I>lxWlsx().l%_ W17由于1F= 106 卩 F = 1012pF則CH> 0.1pF第六章模/數(shù)轉(zhuǎn)換器最冋6.1 A / D轉(zhuǎn)換時間tCONV=25s，最高采樣頻率fS <kHz，對應(yīng)的輸入信頻率 fmax wkHz。解： 最高采樣頻率fS w二比廠25x1曠最高頻率fmaxw '-篤匚心76.2 A/D轉(zhuǎn)換理想特性最大量化誤差為多少LSB ?解：emax26.3 AD574A有哪些主要的控制信號？其意義如何？解：12/8 A CS R/C CE

19、（ P90）6.4 A/D轉(zhuǎn)換器要能開始轉(zhuǎn)換，必須具備哪幾個條件（參考 AD574A的啟動時序圖）？轉(zhuǎn) 換結(jié)束時STS有何變化？此變化有什么用途？解：在CE上升沿之前，先有 CS=0和R/C=0轉(zhuǎn)換回來時STS由高變低，使變化可作為查詢狀態(tài)下的單片機的查詢信號或中斷公式下的中 斷觸發(fā)信號。6.5 12位A/ D轉(zhuǎn)換器AD574A是如何與PC機ISA總線的數(shù)據(jù)線接口（包括硬件連接、傳輸格式等）？（P121 ）6.6從A/ D轉(zhuǎn)換時間考慮，什么情況下用查詢方式好？什么情況下用中斷方式好？答：當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換時間較短（幾十微秒以下）時，宜采用查詢方式，而轉(zhuǎn)換時間較長（100微秒以上）時，宜采用中斷方式，

20、其理由是，采用查詢方式時，在A/D轉(zhuǎn)換期間，微機的 CPU處于等待狀態(tài)，降低了 CPU的效率，而采用中斷方式。 A/D轉(zhuǎn)換期間，微機的 CPU可以去 做其他工作，不會因 A/D轉(zhuǎn)換時間而影響CPU的效率，但是程序較復(fù)雜。6.7設(shè)中斷響應(yīng)時間為。（需要查詢相關(guān)手冊，肯定不考）6.8 一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（需要查詢相關(guān)手冊，肯定不考）6.9在A/ D轉(zhuǎn)換器中，最重要的技術(shù)指標(biāo)是哪兩個？答：精度和轉(zhuǎn)換速度6.10 一般用什么信號來表征A/ D轉(zhuǎn)換器芯片是否被選中？答：若A/D轉(zhuǎn)換器芯片為AD574A,則以cs=0表示A/D轉(zhuǎn)換器芯片被選中。6.11設(shè)計題6.12線性誤差是什么意思？線性誤差大于1LSB有

21、何后果（對 A/D轉(zhuǎn)換器說明）？答：線性誤差是指在沒有增益誤差和偏移誤差的條件下，實際傳輸特性曲線和理想特性曲線1之差。線性誤差通常不大于2 LSB,因為線性誤差是由 A/D轉(zhuǎn)換器特性隨模擬輸入信號幅值變化而引起的，因此線性誤差是不能進(jìn)行補償?shù)摹?.13設(shè)計題第七章數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832 芯片有哪幾種工作方式，各有什么特點? 解：三種工作方式：直通、單緩沖、雙緩沖1) 單緩沖工作方式：一個寄存器工作于直通狀態(tài)， 一個工作于受控鎖存器狀態(tài)在不要求多相D/A同時輸出時，可以采用單緩沖方式，此時只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換, 可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。2) 雙緩沖工作方式：兩個寄存器均工作于受控

22、鎖存器狀態(tài)當(dāng)要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的線性誤差是什么意思？線性誤差大于1LSB有何后果？解：線性誤差是指 D/A轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差7.2 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器中，R=1K Q ,Ro=2K Q , U ref 10v，問 U omax =?解：當(dāng) D=1111 時，Uomax(2n 1)U refO max(212 1) 109.997V7.3 DAC1210 12 位D/A轉(zhuǎn)換器與8301單片機接口，。(不會)7.4 一般用什么信號來表征 D/A轉(zhuǎn)換器芯片是否被選中？一般用(CS =0)信號來表征D /A轉(zhuǎn)換器芯

23、片是否被選中。7.6多于8位的D/A轉(zhuǎn)換器在和8位微機接口時，如何解決數(shù)據(jù)傳送問題？( P150 )第八章 數(shù)據(jù)的接口板卡米集8.1什么是數(shù)據(jù)采集接口板卡？ (P153 )8.2采用數(shù)據(jù)采集接口板卡有什么好處？ 一般在什么情況下采用？(P153)8.3現(xiàn)有一 BASIC語句為“ U = (H * 256 + L) *10 / 4096”，試問該語句完成什么任務(wù)？語句中的“ H * 256 + L ”部分起什么作用，為什么要“H * 256 ”？解： 將12位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)?！?H*256+L ”是將高四位二進(jìn)制碼與低八位二進(jìn)制碼組合成12位二進(jìn)制碼； 高四位二進(jìn)制碼上移八位，所以H*2

24、56。8.4用PC-6319接口板卡的0、1、2通道分別采集1節(jié)、2節(jié)、3節(jié)干電池的電壓數(shù)據(jù)， 要求每個通道各采集 10個數(shù)據(jù)，3個通道巡回采集。設(shè)定PC-6139接口板基地址為 0100H , 試用QUICK BASIC語言編寫雙端輸入、程序查詢方式取數(shù)的數(shù)據(jù)采集程序，并將采集到 的數(shù)據(jù)以“ V”為單位，按通道號顯示在屏幕上。解：3個通道巡回采集是指在每個采樣時刻，對3個通道各采集一次數(shù)據(jù)。CLSN = 10DIM U1(N) , U2(N) , U3(N)FOR I = 1 TO NCH% = 0CALL CAIJI (CH%, U)U1(I) = UCH% = 1CALL CAIJI (CH%, U)U2(I) = UCH% = 2CALL CAIJI (CH%, U)U3(I) = UNEXT IPRINT " U1 " , " U2 " , " U3 "FOR I = 1 TO NPRINT U1(I) , U2(I) , U3(I)NEXT IENDSUB CAIJI (CH%, U)ADDER% = &H100A = INP(ADDER%+3)OUT ADDER%,