数据采集系统设计第二章模拟信号的数字化处理PPT文档格式.ppt

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6SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.12.1概概述述连续模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：

连续模拟信号转换成数字信号，经历了以下过程：

时间断续时间断续数值断续数值断续过程过程量化量化编码编码信号转换过程如下图所示。

信号转换过程如下图所示。

7SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计x（t）xS（nTS）xq（nTS）x（n）2.12.1概概述述采样采样/保持保持量化量化编码编码计算机计算机ttx（t）ttxS（nTS）ttxq（nTS）x（n）n001011100010010011信号转换过程信号转换过程q2q3q4qTS2TS3TSTS2TS3TS8SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.2采样过程采样过程第第22章章模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理采样过程采样过程一个连续的模拟信号一个连续的模拟信号x（t），通通过一个周期性开闭过一个周期性开闭（周期为周期为TS，开关闭合时间为开关闭合时间为）的采样开的采样开关关K之后，在开关输出端输出之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号一串在时间上离散的脉冲信号xs（nTs）。

9SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.22.2采样过程采样过程图中：

图中：

xs（nTs）0,TS,2TSTS采样过程采样过程tx（t）x（t）KTs（t）xS（nTS）txS（nTS）TSTS2TS3TS采样信号采样信号;

采样时刻采样时刻采样时间；

采样时间；

采样周期。

10SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计脉冲调制过程脉冲调制过程11SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计应该指出，在实际应用中，应该指出，在实际应用中，TS。

采样周期采样周期TS决定了采样信号的质量和数量：

决定了采样信号的质量和数量：

TS，xs（nTs），内存量内存量；

TS，xs（nTs），丢失的某些信息。

丢失的某些信息。

因此，采样周期必须依据某个定理来选择。

2.22.2采样过程采样过程不能无失真地恢复成原来的信号，出不能无失真地恢复成原来的信号，出现误差现误差。

12SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.3采样定理采样定理1.采样定理采样定理设有连续信号设有连续信号x（t），其频谱其频谱X（f），以采以采样周期样周期TS采得的信号为采得的信号为xs（nTs）。

如果频谱如果频谱和采样周期满足下列条件：

和采样周期满足下列条件：

频谱频谱X（f）为有限频谱，即当为有限频谱，即当|f|fc时时，X（f）=0TS第第22章章模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理13SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.32.3采样定理采样定理则连续信号则连续信号唯一确定。

唯一确定。

式中式中n=，fc信号的截止频率信号的截止频率14SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计采样定理指出：

采样定理指出：

对一个频率在对一个频率在0fc内的连内的连续信号进行采样，当采样续信号进行采样，当采样频率为频率为fs2fc时，由采样时，由采样信号信号xs（nTs）能无失真地恢能无失真地恢复为原来信号复为原来信号x（t）。

2.采样定理中两个条件的物理意义采样定理中两个条件的物理意义条件条件1的物理意义的物理意义模拟信号模拟信号x（t）的频率范围是有限的，只的频率范围是有限的，只包含低于包含低于fc的频率部分。

的频率部分。

2.32.3采样定理采样定理15SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计条件条件2的物理意义的物理意义采样周期采样周期Ts不能大于信号截止周期不能大于信号截止周期Tc的一半的一半。

2.32.3采样定理采样定理16SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.采样定理不适用的情况采样定理不适用的情况一般来说，采样定理在一般来说，采样定理在时是不适用的。

时是不适用的。

例如，设信号例如，设信号当当时，其采样值为时，其采样值为2.32.3采样定理采样定理17SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计则有则有讨论：

讨论：

当当=0，xs（nTs）=0，即采样值为零，即采样值为零，无法恢复原来的模拟信号无法恢复原来的模拟信号x（t）。

2.32.3采样定理采样定理xS（nTS）=Asin（n+）=A（sinncos+cosnsin）=Acosnsin=A（-1）nsin18SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计当当0|sin|1时，时，xs（nTs）的幅值均小的幅值均小于原模拟信号，出现失真。

于原模拟信号，出现失真。

当当|sin|=1时，时，xs（nTs）=（-1）nA，它它与原信号与原信号x（t）的幅值相同，但必须保证的幅值相同，但必须保证=/2。

综上所述，只有在采样起始点严格地控制综上所述，只有在采样起始点严格地控制在在=/2时，才能由采样信号时，才能由采样信号xs（nTs）不失真地不失真地恢复出原模拟信号恢复出原模拟信号x（t），然而这是难以做到的。

然而这是难以做到的。

结论：

采样定理对于采样定理对于不适用的。

不适用的。

2.32.3采样定理采样定理19SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施1.频率混淆频率混淆什么是频率混淆？

什么是频率混淆？

频率混淆频率混淆模拟信号中的高频成分模拟信号中的高频成分（）被）被叠加到低频叠加到低频成分（成分（）上的现象。

）上的现象。

第第22章章模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理20SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.42.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施频率混淆如右图所示频率混淆如右图所示。

例如：

某模拟信号中含有频率为某模拟信号中含有频率为900Hz，400Hz及及100Hz的成的成分。

分。

若以若以fs=500Hz进行采样进行采样，此时此时Hz，Hz但但Hz。

21SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计由图可见，三种频率的曲线没有区别：

由图可见，三种频率的曲线没有区别：

对于对于100Hz的信号，采样后的信号波形的信号，采样后的信号波形能真实反映原信号。

能真实反映原信号。

2.42.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施对于对于400Hz和和900Hz的信号，则采样后的信号，则采样后完全失真了，也变成了完全失真了，也变成了100Hz的信号。

的信号。

于是原来三种不同频率信号的采样值于是原来三种不同频率信号的采样值相互混淆了。

相互混淆了。

22SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计不产生频率混淆现象的临界条件：

不产生频率混淆现象的临界条件：

fS=2fC2.消除频混消除频混为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：

为了减小频率混淆，通常可以采用两种方法：

对于频域衰减较快的信号，减小对于频域衰减较快的信号，减小TS。

但是，但是，TS，内存占用量和计算量内存占用量和计算量。

2.42.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施23SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计对频域衰减较慢的信号，可在采样前，对频域衰减较慢的信号，可在采样前，先用一截止频率为先用一截止频率为fC的滤波器对信号的滤波器对信号x（t）低通滤波，滤除高频成分，然后再低通滤波，滤除高频成分，然后再进行采样。

这种方法既实用又简单。

进行采样。

实际上，由于信号频率都不是严格有实际上，由于信号频率都不是严格有限的，而且，实际使用的滤波器也都不具限的，而且，实际使用的滤波器也都不具有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止频率的频率分性，故不足以把稍高于截止频率的频率分量衰减掉。

量衰减掉。

2.42.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施24SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用。

在信号分析中，常把上述两种方法联合起来使用。

表表2.1典型物理量的经验采样周期值典型物理量的经验采样周期值被测物理量被测物理量采采样样周周期期（s）流量流量122.42.4频率混淆与消除频混的措施频率混淆与消除频混的措施压力压力液位液位温度温度成分成分35681015152025SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计2.6模拟信号的采样控制方式模拟信号的采样控制方式1.模拟信号的采样控制方式模拟信号的采样控制方式无条件采样无条件采样特点：

特点：

运行采样程序，立即采集数据，直运行采样程序，立即采集数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。

点数据全部采完为止。

优点：

为无约束采样。

第第22章章模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理26SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设