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          詳析數據采集的原理

          發布時間:2022/3/2      瀏覽次數:938
            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象?;赑C的數據采集,通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合,進行測量。
           
            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。數據采集時,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1/Δt被稱為采樣頻率,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。反過來說,如果給定了采樣頻率,那么能夠正確顯示信號而不發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生畸變。分別產生了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生,通常在信號被采集(A/D)之前,經過一個低通濾波器,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。
           
            采樣頻率應當怎樣設置。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致沒有足夠的內存或者硬盤存儲數據太慢。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的信號處理,例如FFT等。這里對樣本數又有一個要求,一般不能只提供一個信號周期的數據樣本,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是整周期個數的。這里又發生一個困難,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,也不能保證提供整周期數的樣本。所有的僅僅是一個時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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