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詳析數(shù)據(jù)采集的原理

發(fā)布時間:2022/3/2      瀏覽次數(shù):2493
  數(shù)據(jù)采集,是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程,其目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象?;赑C的數(shù)據(jù)采集,通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計算機的結(jié)合,進行測量。
 
  在計算機廣泛應(yīng)用的今天,數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時,噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時,有一些基本原理要注意,還有更多的實際的問題要解決。
 
  假設(shè)對一個模擬信號x(t)每隔Δt時間采樣一次。時間間隔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。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分,信號將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。
 
  采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊(alias)。出現(xiàn)的混頻偏差(aliasfrequency)是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。
 
  采樣的結(jié)果將會是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz)的信號可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號成分采樣時會發(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“絕對值”,
 
  為了避免這種情況的發(fā)生,通常在信號被采集(A/D)之前,經(jīng)過一個低通濾波器,將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。這個濾波器稱為抗混疊濾波器。
 
  采樣頻率應(yīng)當怎樣設(shè)置。也許可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是,較長時間使用很高的采樣率可能會導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了,實際上工程中選用5~10倍,有時為了較好地還原波形,甚至更高一些。
 
  通常,信號采集后都要去做適當?shù)男盘柼幚?,例如FFT等。這里對樣本數(shù)又有一個要求,一般不能只提供一個信號周期的數(shù)據(jù)樣本,希望有5~10個周期,甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個數(shù)的。這里又發(fā)生一個困難,并不知道,或不確切知道被采信號的頻率,因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數(shù),也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率。這是測量與分析的依據(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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