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詳析數(shù)據(jù)采集的原理

發(fā)布時(shí)間:2022/3/2      瀏覽次數(shù):2287
  數(shù)據(jù)采集,是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程,其目的是為了測(cè)量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象。基于PC的數(shù)據(jù)采集,通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)的結(jié)合,進(jìn)行測(cè)量。
 
  在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天,數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí),噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí),有一些基本原理要注意,還有更多的實(shí)際的問題要解決。
 
  假設(shè)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)每隔Δt時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/Δt被稱為采樣頻率,單位是采樣數(shù)/每秒。t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等,x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0),xΔt),x(2Δt)都是采樣值。根據(jù)采樣定理,采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過來說,如果給定了采樣頻率,那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率,它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分,信號(hào)將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。
 
  采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊(alias)。出現(xiàn)的混頻偏差(aliasfrequency)是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。
 
  采樣的結(jié)果將會(huì)是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz)的信號(hào)可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號(hào)成分采樣時(shí)會(huì)發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了30、40和10Hz的畸變頻率F2、F3和F4。計(jì)算混頻偏差的公式是:
 
  混頻偏差=ABS(采樣頻率的整數(shù)倍-輸入頻率)
 
  其中ABS表示“絕對(duì)值”,
 
  為了避免這種情況的發(fā)生,通常在信號(hào)被采集(A/D)之前,經(jīng)過一個(gè)低通濾波器,將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。這個(gè)濾波器稱為抗混疊濾波器。
 
  采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置。也許可能會(huì)首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是,較長(zhǎng)時(shí)間使用很高的采樣率可能會(huì)導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了,實(shí)際上工程中選用5~10倍,有時(shí)為了較好地還原波形,甚至更高一些。
 
  通常,信號(hào)采集后都要去做適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理,例如FFT等。這里對(duì)樣本數(shù)又有一個(gè)要求,一般不能只提供一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)樣本,希望有5~10個(gè)周期,甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個(gè)數(shù)的。這里又發(fā)生一個(gè)困難,并不知道,或不確切知道被采信號(hào)的頻率,因此不但采樣率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù),也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。所有的僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率。這是測(cè)量與分析的依據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)據(jù)采集儀表等,都是數(shù)據(jù)采集工具。

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