數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

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為緒論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，其總一部分數(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)字信不，治療；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；人機接觸。（第15頁）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)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一種是分布式數(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。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點是：系統(tǒng)適應(yīng)性強；系統(tǒng)可靠性高；系統(tǒng)具有良好的實時性；對系統(tǒng)硬件要求低；特別適合在惡劣環(huán)境下工作。（第16頁）1.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件功能模塊是如何劃分的？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） 模擬信號采集和處理程序。其主要功能是對模擬量輸入信號進行采集、比例變換、濾波處理和二次數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)存儲在磁盤中。（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)的變化。如果發(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)進行設(shè)置。（6） 系統(tǒng)管理（主控制）程序。它的功能是將每個模塊程序組織成一個程序系統(tǒng)，管理和調(diào)用每個功能模塊程序，然后管理數(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行采集、縮放變換、濾波和處理次數(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)處理的類型通常按照以下方法進行分類：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°（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)如下：（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)部特征（第22頁）第二章模擬信號的數(shù)字化處理2.1什么是抽樣？（p24）如何確定采樣頻率？（第26頁）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：若模擬信號為什么時候模擬信號的采樣值為只有在時，xs（nts）與x（t）的幅值才相同。但在工程上很難做到°（p29）2.3對于某一模擬信號x（T），采樣時間間隔TS分別為4ms、8ms和16ms。試著找出這個模擬信號的截止頻率fc？解決方案：根據(jù)采樣定理FSN2FC，有FC嗎？當(dāng)TS=4ms時，F(xiàn)S=250HzUFC？那么2250？125hz2125f？？62.5hzts=8msfs=125Hz，當(dāng)時是c2625？TS=16ms時為31.25hz，F(xiàn)S=62.5hzUFC？22.4哪些因素與采樣周期有關(guān)？如何選擇采樣周期？解決方案：（1）采樣周期與信號x（T）的截止頻率fc有關(guān)。（2）根據(jù)抽樣定理W1.確定采樣周期。2fc2。5什么是量化？答：量化是指將采樣信號的振幅與最小數(shù)量單位的某些列整數(shù)倍進行比較，并用最接近采樣信號振幅的最小數(shù)量單位倍數(shù)替換振幅。這個過程簡稱為“定量過程”。(第41頁)2.6對采樣信號進行量化的最小數(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=fsr。n2q與fsr成正比，與2n成反比。2.7絕對誤差0lsb是否絕對無誤差？它的意義是什么？絕對誤差為1/8lsb。有什么意義？答：它不是沒有錯誤的。LSB表示數(shù)字的最右邊的位，即最低有效位；LSB=q=q的定義：LSB表示可由n位二進制除法器區(qū)分的最小模擬量。2.8什么是編碼？答：編碼是指把量化信號的電平用數(shù)字代碼表示°(p47)2.9把十進制256轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的bcd碼。答：(256)=(1001010110)2.10用補碼2計算表達式“16-5”的值。答：16-5=16+(-5)=(10000)b+(11011)b=(01011)b(不考慮進位)FSR，根據(jù)第3章量化單元2n的模擬多路復(fù)用器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)通電阻一般較大，理論值小于100歐姆。(導(dǎo)通電阻隨溫度變化而變化)。電子開關(guān)(如簧片)的導(dǎo)通電阻相對較小，導(dǎo)通電阻趨于0，可視為理想開關(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電器。它的缺點是導(dǎo)通電阻不夠小(幾十至幾百歐)，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模擬多路復(fù)用器的輸入端子有多少個？通道選擇器的輸出有多少個端子？A：模擬多路復(fù)用器的輸入端一般為8個端子，輸出端為1個端子的通道選擇器。3.3—個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有8個模擬通道，每個通道的輸入信號頻率可達到5KHz，每個采樣周期至少應(yīng)使用10個采樣點的采樣速度進行采樣。Q：(1)多通道交換機的切換速率應(yīng)該是多少？(2)可以選擇什么類型的多路復(fù)用器？解：⑴?「fc=5khz，采樣頻率fs?2fc?2?5?10?1?10(hz)采樣周期ts?3411??1?10?4(s)?0.0001(s)4fs1?10ts0.0001??0.00001(s)1010每個采樣點的采樣周期td?「?切換速率v?11??100000(hz)?100(khz)td0.00001⑵..?由表3.5可知，cd4051的ton和toff都為0.8us那么CD4051開關(guān)的切換時間是1.6^s。開關(guān)的切換速率是多少？1.625000?625khz?61.6?10——多路復(fù)用器選擇CD4051。3.4某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求有20個模擬通道，信號電平范圍為100mv，并要求開關(guān)的導(dǎo)通電阻不到1歐，各通道信號的頻率為2.5khz,要求每個采樣周期至少采5個采樣點，問：（1）開關(guān)的切換率應(yīng)是多少？（2）什么樣的多通道交換機是合適的？回答：（1）FC=2.5hz，F(xiàn)S？2fc？5hz，ts？1t？0.2秒，ts？s0.04sfc51開關(guān)頻率是多少？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非常微弱，遠低于通用運算放大器的輸入偏移電壓和溫度漂移電壓。因此，這些信號不能由通用運算放大器放大，而必須由溫度漂移小、偏置電壓低、增益穩(wěn)定、抗共模干擾能力強的測量放大器放大。4.2用測量放大器建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，RG=100kQ，r4=10kQ，R5=20K已知R1=R2=5KQ￡，若r4和r5的精度為0.1%，試求次放大器的增益及cmrr.解：r3=r4=10000?2r1？R5000？20000??K1.1.2.202rg？r3100？10000??cmrr=20logvcm？20log202？20?2.305?46.1.4。3將ad521測量放大器的增益設(shè)置為100，嘗試繪制其接線原理圖，并計算外部電阻值。解決方案：當(dāng)放大器的增益時什么時候又?「rs=100±15%當(dāng)rs=100+15%時，當(dāng)rs=100-15%時，其接線原理圖4.4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？入：輸入級A1A2的偏移電壓相互抵消。A1A2的特性不完全對稱時偏移電壓的參數(shù)值。放大后，發(fā)送至A3。為了提高測量放大器的性能，A1A2的特性應(yīng)盡可能對稱。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.第五章樣品/支架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：當(dāng)輸入信號頻率很低時，由于模擬信號的電壓在A/D轉(zhuǎn)換過程中幾乎是恒定的