数据采集和处理技术试题卷.docx
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数据采集和处理技术试题卷
一、绪论
（一）、1、“数据采集”是指什么?
将温度、压力、流量、位移等模拟量经测量转换电路输出电量后再采集转换成数字量后，再由PC机进行存储、处理、显示或打印的过程。
2、数据采集系统的组成?
由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。
3、数据采集系统性能的好坏的参数?
取决于它的精度和速度。
4、数据采集系统具有的功能是什么?
（1）、数据采集，
（2）、信号调理，（3）、二次数据计算，（4）、屏幕显示，（5）、数据存储，（6）、打印输出，（7）、人机联系。
5、数据处理系统的分类?
分为预处理和二次处理两种；即为实时（在线）处理和事后（脱机）处理。
6、集散式控制系统的典型的三级结构?
一种是一般的微型计算机数据采集系统，一种是直接数字控制型计算机数据采集系统，还有一种是集散型数据采集系统。
7、控制网络与数据网络的结合的优点?
实现信号的远程传送与异地远程自动控制。
（二）、问答题：
1、数据采集的任务是什么？
数据采集系统的任务：
就是传感器输出信号转换为数字信号，送入工业控制机机处理，得出所需的数据。
同时显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，还将被生产过程中的PC机控制系统用来控制某些物理量。
2、微型计算机数据采集系统的特点是
（1）、系统结构简单；
（2）、微型计算机对环境要求不高；（3）、微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本；（4）、微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；（5）、微型计算机的各种I/O模板及软件齐全，易构成系统，便于使用和维修；
3、简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点？
（1）、一般微型计算机数据采集与处理系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。
（2）、直接数字控制型数据采集与处理系统（DDC）是既可对生产过程中的各个参数进行巡回检测，还可根据检测结果，按照一定的算法，计算出执行器应该的状态（继电器的通断、阀门的位置、电机的转速等），完成自动控制的任务。
系统的I/O通道除了AI和DI外，还有模拟量输出（AO）通道和开关量输出（FDO）通道。
（3）、集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理，即用几台计算机分别控制若干个回路，再用监督控制计算机进行集中管理。
（三）、分析题：
1、如图所示，分析集散型数据采集与处理系统的组成原理，系统有那些特点？
集散式控制系统也称为分布式控制系统，总体思想是分散控制，集中管理，即用几台DDC计算机分别控制若干个回路，再用监督控制计算机对各DDC进行集中管理。
集散式控制系统的分级规模可大可小，可以只有两级也可以多级。
集散型数据采集系统的特点：
（1）、系统的适应能力强；
（2）、系统的可靠性高；（3）、系统的实时响应性好；（4）、对系统硬件的要求不高。
二、模拟信号的数字化处理
（一）、填空与选择题：
1、在数据采集系统中同时存在着那两种不同形式的信号？
离散数字信号和连续模拟信号
2、保持的概念？
3、传感器所测量到的连续模拟信号转换成离散的数字信号的步骤？
连续的模拟信号转换为离散的数字信号，经历了两个断续过程：
（1）.时间断续：
采样X（t）→Xs（nTs）
（2）.数值断续：
量化，即把采样信号Xs（nTs）以最小数量单位的整倍数来度量.
信号转换过程如图所示
4、采样周期Ts决定采样信号的质量和数量:
Ts太小,Xs（nTs）数量剧增,占用内存;
Ts太大,模拟信号的某些信息被丢失.
5、采样定理
设有连续信号x（t）,其频谱为X（f）,以采样周期Ts采得的离散信号为xs（nTs）.
如果频谱X（f）和采样周期满足下列条件:
（1）.频谱X（f）为有限频谱,即当F1的绝对值大于等于fc（截止频率）时,x（f）=0;
（2）.Ts<=1/2fc
则连续信号
唯一确定.Fc称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。
6采样定理中两个条件的物理意义
（1）连续模拟信号x（t）的频率X围是有限的，即信号的频率f在0<=f<=fc
（2）采样周期Ts不能大于信号周期Tc的一半。
7、采样定理在Fc=1/（2Ts）时是不适应的。
例如,设连续信号为:
，其采样值为:
当fc=1/（2Ts）
有
，则当
=0时,采样信号为零,无法恢复原模拟信号；当
时,采样信号幅值小于原模拟信号；当
时,采样信号幅值等于原模拟信号.
8、频率混淆
如果Ts取的过大,使Ts>1/（2fc）时,将会出现x（t）中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象,这种现象称为频率混淆
不产生频率混淆现象的临界条件是fs=1/Ts=2fc。
或者说，当采样间隔一定时，不发生频率混淆的信号最高频率为fc=1/（2Ts）
9、消除频率混淆的措施：
1．对于频域衰减较快的信号，可用提高采样频率的方法来解决。
2、对于频域衰减较慢的信号，可用消除频混滤波器来解决：
低通滤波器。
10、采样控制方式的选择：
（1）、无条件采样，仅适用于随时处于准备好状态的A/D转换器，且要求CPU与A/D转换器同时工作。
（2）、中断方式（3）、查询方式
（4）、DMA方式，有硬件完成数据的传送操作，常用于高速数据采集系统。
11、量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位来代替该幅值，这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。
量化单位定义为量化器满量程电压FSR与2n的比值，即
，其中n为量化器位数。
12、完成量化和编码的器件是模/数（A/D）转化器。
13、量化的方法有哪两种？
（1）、“只舍不入”的量化，信号幅值小于量化单位q的部分一律舍去。
（2）、“有舍有入”的量化，采样信号幅值小于q/2的部分舍去，大于q/2的部分计入。
结论：
经过量化之后，把原来幅值连续变化的采样模拟信号，变成了幅值为有限序列的量化信号。
经过量化后的信号，其精度取决于所选的量化单位q.
14、量化误差：
，前为采样信号，后为量化信号。
（1）、“只舍不入”的量化误差：
量化误差e只能是正误差，它可以取0—q之间的任意值。
最大量化误差emax=q,量化误差的方差是
，这表明：
即使模拟信号x（t）为无噪声信号，经过量化器量化后，量化信号
将包含噪声
。
量化误差的标准差为
（2）、“有舍有入”的量化误差，最大量化误差为
，标准差与“只舍不入”的情况相同，即
结论：
量化误差是一种原理性误差，它只能减小而无法完全消除。
量化方法比较：
“有舍有入”的方法比较好，因为“有舍有入”法德最大量化误差只有“只舍不入”法德1/2。
目前大部分A/D转换器都是采用“有舍有入”的量化方法，但也有少数价格低廉的A/D转换器，采用“只舍不入”的方法。
增加A/D转换器的位数n能减小量化误差，即增加A/D的位数，减小量化误差。
编码
1、编码是指把量化信号的电平用数字代码来表示。
2、单极性编码：
（1）、二进制码是单极性编码中使用最普遍的编码，在这种码制中，一个十进制数D的量化电平可表示为
.一个模拟输出电压用二进制表示为
最低有效位的值
=q.
注意：
由于二进制数码的位数n是有限的，即使二进制码的各位
，最大输出电压
也不与FSR相等，而是差一个量化单位q，可确定下式
（2）、二-十进制编码（BCD码）：
是用一组四位二进制码来表示一位0-9的十进制数字。
例：
一个电压按BCD编码，则有
BCD编码常用超量程附加位，这样对A/D转化器来说，量程需增加一倍。
（3）、格雷码：
又称反射二进制码，优点是从一个数到下一个相邻的数只需改变一位，中间错误的变化就可避免。
二进制转换成格雷码的规律：
从二进制码的最低两位开始，按异或规律定下格雷码的最低位，然后再用二进制码末前两位按异或规律定下格雷码的末前一位，如此往前推，最后可以定下全部格雷码。
所谓异或规律：
相邻两数相同为“0”，不同时为“1”。
1、双极性编码：
（1）、偏移二进制码是转化器最容易实现的双极性编码。
偏移情况：
a）代码为“0000”时，表示模拟负满量程，即-FSR;
b）代码为“1000”时，表示模拟零，即模拟零电压对应于2n-1数；
c）代码为“1111”时，表示模拟正满量程值减1LSB，即
。
偏移二进制码的优点：
容易实现，容易换成2的二进制补码。
缺点：
在零点附近会发生主码跃迁。
三、模拟多路开关
1、电子多路开关根据结构可分为双极性晶体管开关、场效应晶体管开关、集成电路开关三大类型。
2、多路开关的电路特性：
1）漏电流：
通过断开的模拟开关的电源。
一般情况有
，因而
式中n是并
联的模拟开关数，
是单个开关断
开时的漏电流。
2）动态响应
见右图的多路开关动态响应的等效电路
其中
表示连到测试点的所有开关输出电
容
与负载电容
之和得时间常数
对时间常数
的RC电路，其设定时间为
对于开关闭合时的带宽，设
则该电路的带宽为
3）源负载效应误差：
指有信号源电阻
和开关导通电阻
与多路开关所接器件的等效电阻
分压而引起的误差，
等效电路如右图。
由于负载效应是一种分压作用，它使输出到
上的信号减小，因此应合理设计，开关所接器件的
可根据
计算出负载效应引起的衰减，然后用提高下集增益的方法加以补偿。
4、多路开关的配置
（1）单端接法：
是把所有的输入信号源的一端接至同一个信号地，然后再将信号地与A/D转换器的模拟地相接。
A接法可保证系统的共模抑制能力，而无需减少一半的通道数；B接法系统的共模抑制能力基本未发挥，但是系统可以得到最大的通道数。
（2）双端接法：
是把所有的输入信号源的两端
各自分别接至多路开关的输入端
当信号源的信噪比较小时，必须使用此接法，
此接法抗共模抑制能力强，适用于采集低电平信
号，但实际通道数只有单端接法的一半。
应该指出：
多路开关从一个通道切换到另一个通道时会发生瞬变现象，是输出产生短暂的尖峰电压，如果此时采集多路开关输出的信号，就会引起误差。
四、测量放大器
1、测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂，低失调电压和高稳定增益的特点。
2、测量放大器的电路原理：
如右图
（1）测量放大器的增益
为提高共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用
对称结构，即
则
3、测量放大器的主要技术指标：
（1）非线性度：
是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。
它与增益有关，对数据采集的精度的影响很大。
在选择测量放大器时，一定选择非线性度偏差小于
0.024%的测量放大器。
（2）温漂：
指测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。
它也与测量放大器的增益有关。
（3）建立时间：
指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差X围内所需的时间。
它随增益的增加而上升。
（4）恢复时间：
是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值随需的时间。
它直接影响数据采集系统的采样速率。
（5）电源引起的失调：
是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值，测量放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。
（6）共模抑制比
当放大器两个输入端具有等量电压变化值
时，在放大器输出端测量出电压变化值
，则共模抑制比CMRR可为
五、采样/保持器
1、采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路，它主要由模拟开关K、电容
和缓冲放大器A组成。
2、采样/保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有两个稳定的工作状态：
（1）跟踪状态。
在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；
（2）保持状态。
对接收到的指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。
3、在数据结构采集系统中，采样/保持器主要以下两种作用：
（1）“稳定”快速变化的输入信号，以利于模/数转换器把模拟信号转换成数字信号，以减少采样误差。
（2）用来储存模拟多路开关输入的模拟信号，这样可使模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号。
4、采样/保持器按结构可分为两种类型：
串联型和反馈型。
（1）串联型采样/保持器
串联型采样/保持器的结构原理如下图，图中
和
分别是输入和输出缓冲放大器，用以提
采样/保持器的输入阻抗，减小输出阻抗以便与信号源和负载连接；K是模拟开关，它由控制信号电压
控制其断开或闭合；
是保持电容器。
串联型采样/保持器的有点是结构简单。
串联型型采样/保持器的缺点：
它的失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响到型采样/保持器的精度。
另外，它的跟踪速度也较低。
（2）反馈型型采样/保持器
反馈型型采样/保持器的结构如下图，其输出电压
反馈到输入端，使
和
共同组成一个跟踪器。
注意：
在保持状态，由于
是闭合的，放大器
的输出仍在跟踪输入，避免
开环而进入饱和，使得当采样/保持器再次转入跟踪状态时，
能立即跟踪
。
5、孔径时间
：
孔径时间
是指保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。
6、孔径不定
：
孔径不定
是指孔径时间的变化X围。
孔径时间只是使采样时刻延迟，如果每次采样的延迟时间都相同，则对总的采样结果的精确性不会有影响。
但若孔径时间在变化，则对精度就会有影响。
如果改变保持指令发出的时间，可将孔径时间消除。
7、捕捉时间
：
捕捉时间
是指当采样/保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样/保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间，它包括逻辑输入开关的动作时间、保持电容的充电时间、放大器的设定时间等。
8、电荷转移偏差
电荷通过寄生电容转移到电容器上引起的，可通过加大保持电容器容量来克服。
不过当增大保持电容时，也增大了采样/保持器的响应时间。
采样/保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器
的质量。
9、如果在转换时间
内，正弦信号变化不超过1LSB所代表的电压，则在
条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为：
（
为A/D转换时间）Fmax=1/2n*pi*tconv
如果允许信号变化为
则系统可采集的最高信号频率为：
Fmax=1/2（n+1）*pi*tconv
例：
已知A/D转换器的型号为ADC0804，其转换时间
=100
（时钟频率为640kHz）,位数n=8，允许信号变化为
，计算系统可采集的最高信号频率。
解：
Fmax=1/2（n+1）*pi*tconv=6.22Hz
此例说明无采样/保持器的系统只能对频率低于6.22Hz的信号进行采样。
10、如果正弦信号电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压，则在n位A/D转换器前加上采样/保持器后，系统可采集的信号最高频率为：
Fmax=1/2n*pi*tAp
如果允许正弦信号电压的最大变化为1/2LSB，则系统可采集的最高信号频率为：
Fmax=1/2（n+1）*pi*tAp
11、系统课处理的最高输入信号频率应为：
Fmax=1/2（tac+tv+tap）
式中：
tac------采样/保持器的捕捉时间；
tap------采样/保持器的最大孔径时间（包括抖动时间）；
tconv---A/D转换器的转换时间。
六、模/数转换器
1、模/数转换器是一种器件，它把采集到的采样模拟信号经量化和编码后，转换成数字信号并输出。
2、A/D转换器的分类
（1）直接比较型：
将输入的采样模拟量直接与座位标准的基准电压相比较，得到可按数字编码的离散量或直接得到数字量。
这种类型包括连续比较、逐次逼近、斜波（或阶梯波）电压比较等，其中最常见的是逐次逼近型。
（2）简介比较型：
输入的采样模拟量不是直接与基准电压比较，而是将二者都变成中间物理量再进行比较，然后将比较得到的时间（t）或频率（f）进行数字编码。
例如：
双斜式、脉冲调宽型、积分型、三斜率型、自动校准积分型等。
2、分辨率：
分辨率是指A/D转换起所能分辨模拟输入信号的最小变化量。
设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则A/D转换器的分辨率定义为：
分辨率=FSR/2n
另外，也可以用百分数来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率。
相对分辨率定义为：
相对分辨率=分辨率/FSB*100%=1/2n*100%
3、量程：
量程是指A/D转换器所能转换模拟信号的电压X围。
4、精度：
A/D转换器的精度分为绝对精度和相对精度两种。
（1）绝对精度：
绝对精度定义为对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。
在A/D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码，上述定义则限定为量化带中点的模拟输入电压值。
绝对误差一般在
X围内。
绝对误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差，也包括量化误差。
（2）相抵精度：
相对精度定义为绝对精度与满量程电压值之比的百分比：
相对精度=绝对精度/FSB*100%
5、注意：
精度和分辨率是两个不同的概念，精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。
6、转换时间和转换速率
（1）转换时间：
转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。
（2）转换速率是指能重复进行数据转换的速度，即每秒钟的次数。
7、可见当精度一定时，信号频率越高，要求的转换时间也就越短；若信号频率一定，转换时间越长，误差越小。
对于平均值的转换，被转换的采样模拟量是直流（或缓慢变化）电压，而干扰则是交变的，因此转换一次的时间
越长，其抑制干扰的能力就越强。
换言之，平均值响应的转换器是在牺牲转换时间的情况下提高转换精度的。
8、逐次逼近式A/D转换器
（1）工作原理：
它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、基准电源、时序与逻辑控制电路等部分组成。
9、工作过程：
见课本P83
10、8位A/D转换器芯片ADC0809：
见课本P86
11、12位A/D转换器芯片AD547A：
见课本P89
12、A/D转换器与微机接口的主要任务有两个：
（1）A/D转换器每接收一次微机发出的转换指令，就进行一次A/D转换；
（2）当微机发出取数据指令时，转换所得的数据从A/D转换器的输出寄存器中取出，经数据总线存入微机存储器的指定单元。
13、A/D转换器在与微机接口时，需要解决以下三个问题：
（1）A/D转换器输出到总线的数据需加缓冲，以免对数据总线的工作造成干扰；
（2）产生芯片选通信号和控制信号；
（3）从A/D转换器读出数据。
14、A/D574A与8031的接口
15、例：
编写采用查询法完成一次A/D转换的程序
解程序清单如下：
ORG0500H
START:
MOVDPTR.,#8000H
MOVR0,#0FCH
MOVXR0,A
LOOP:
P1.0,LOOP
MOVR0,#0FEH
MOVXA,R0
MOVXDPTR,A
INCR0
INCDPTR
MOVXA,R0
MOVXDPTR,A
RET
七、数/模转换器
1、D/A转换器主要有两大类型：
并行D/A转换器和串行转换器
（1）并行D/A转换器
并行D/A转换器的结构如图。
其特点是转换器的位数与输入数码的位数相同，对应数码的每一位都有输入端，用以控制相应的模拟切换开关把基准电压
接到电阻网络。
并行D/A转换器的转换速度很快，只要在输入端加入数字信号，输出端立即有相应的模拟电压输出。
它的转换速度与模拟开关的通断速度、电阻网络的寄生电抗和运算放大器的输出频率有关，但主要决定于后者。
（2）串行D/A转换器
串行D/A转换器的结构图如下图：
注：
详细讲解见课本P114
2、D/A转换器的基本组成
（1）电阻网络
（2）基准电源：
在D/A转换器中，基准电源的精度直接影响D/A转换器的精度。
（3）模拟切换开关
（4）运算放大器：
D/A转换器的输出端一般都接有运算放大器，其作用有两个：
一个是对网络中各支路电流进行求和，另一个是为D/A转换器提供一个阻抗低、负载能力强的输出。
3、D/A转换器的主要技术指标
（1）分辨率：
D/A转换器的分辨率定义为最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为“1”）与最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位全为“1”）之比。
分辨率=1/（2n-1）
（2）精度：
精度分为绝对精度与相对精度两种。
绝对精度是指输入满量程数字量时，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差，该偏差一般应小于+_1/2LSB。
相对精度是指绝对精度与额定满量程输出值的比值。
相对精度有两种表示方法：
一种是用偏差多少LSBA来表示；另一种是用该偏差相对满量程的百分数表示。
（3）线性误差：
线性误差是指D/A转换器芯片的转换特性曲线与理想之间的最大偏差。
（4）建立时间：
建立时间是指D./A转换器的输入数码满量程变化（即从全“0”变成全“1”）时，其输出模拟量值达到
X围所需的时间。
（5）单调性（6）温度系数（7）电源抑制比（8）输出电平（9）输入代码（10）输入数字电平
（11）工作温度
4、权电阻D/A转换器
权电阻D/A转换实现的方法是先把输入的数字量转换为对应的模拟电流，然后再把模拟电流转换为模拟电压输出。
5、T型电阻D/A转换器
T型电阻D/A转换器的突出特点是：
（1）当数字量相应位为“1”时，对应该位的支路电流进入求和放大器的输入端；当数字量相应位为“0”时，对应该位饿支路电阻入地，从根本上消除尖峰脉冲的产生。
（2）为了进一步提高转换速度，可以使每个支路流过电阻2R的电流保持恒定，即不论输入数字量的各位是“0”还是“1”，对应支路电流的大小不变。
T型电阻网路D/A转换器的优点i转换速度比较快。
在动态过程中的尖峰脉冲很小，使得T型电阻网路D/A转换器成为目前D/A转换器中速度最快的一种。
附：
1、分辨率——它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。
2、转换误差——表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。
3、系统的分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小的变化量。
4、A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。
其倒数就是A/D转换器每秒完成的转换次数，称转换速率。
5、多通道并行数据采集系统的组成？
每个通道都带有独自的采样/保持器、信号调理电路直接送到计算机中去。
6、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率的关系？
位数愈多，时钟频率越高，转换所需时间越短。
7、如图，试述采样与保持的工作原理？
如图所示当开关S闭合时，输入模拟量对电容C充电，这是采样过程；开关断开时，电容C上的电压保持不变，这是保持过程。
8、简答题：
为什么A/D转换需要采样、保持电路？
信号采集通道中是否需要采样/保持器的依据是什么？
依据是：
模拟信号进行A/D转换时，从启动、转换结束到输出数字量，需要一定的转换时间。
在此转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，能完成这种功能的器件叫采样/保持器。
9、分析题：
3-1、如图逐次逼近型ADC转换器的工作原理？
答：
工作原理：
逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值
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