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          詳析數據采集的原理

          發(fā)布時(shí)間:2022/3/2      瀏覽次數:1230
            數據采集,是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程,其目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象?;赑C的數據采集,通過(guò)模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合,進(jìn)行測量。
           
            在計算機廣泛應用的今天,數據采集的重要性是十分顯著(zhù)的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類(lèi)型信號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(lái)一些麻煩。數據采集時(shí),有一些基本原理要注意,還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。
           
            假設對一個(gè)模擬信號x(t)每隔Δt時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔Δt被稱(chēng)為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數1/Δt被稱(chēng)為采樣頻率,單位是采樣數/每秒。t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等,x(t)的數值就被稱(chēng)為采樣值。所有x(0),xΔt),x(2Δt)都是采樣值。根據采樣定理,采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過(guò)來(lái)說(shuō),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(guò)低的結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)。出現的混頻偏差(aliasfrequency)是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。
           
            采樣的結果將會(huì )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(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。計算混頻偏差的公式是:
           
            混頻偏差=ABS(采樣頻率的整數倍-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(guò)一個(gè)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(gè)濾波器稱(chēng)為抗混疊濾波器。
           
            采樣頻率應當怎樣設置。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(cháng)時(shí)間使用很高的采樣率可能會(huì )導致沒(méi)有足夠的內存或者硬盤(pán)存儲數據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的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,信號采集后都要去做適當的信號處理,例如FFT等。這里對樣本數又有一個(gè)要求,一般不能只提供一個(gè)信號周期的數據樣本,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是整周期個(gè)數的。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的頻率,因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數,也不能保證提供整周期數的樣本。所有的僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散的函數x(n)和采樣頻率。這是測量與分析的依據。數據采集卡,數據采集模塊,數據采集儀表等,都是數據采集工具。

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