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) X s (nT s )
（2）.数值断续：量化，即把采样信号X s(nT s )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, X s (nT s )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x s (nT s ) . 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: π??π20);2sin()(≤≤+=fc A t x ，其采样值为:)2sin()(?π+=fcnTs A nTs xs 当fc=1/(2Ts)
有 ??πsin )1()2sin()(n s A fcnTs A nTs x -=+=，则当?=0时,采样信号为零,无法恢复原模拟信号； 当1sin 0<
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2
n FSR
q =，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：()()s s q s e x nT x nT =-，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e max =q,量化误差的方差是2
212
e
q σ=，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()
q s x nT 将包含噪声2
12q 。量化误差的标准差为0.29e q σ=
≈ （2）、“有舍有入”的量化误差，最大量化误差为
2
q
，标准差与“只舍不入”的情况相同，即0.29
e q σ=
≈
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3
1223
122222n
i n
i n
i a a a a D a -===
++++
∑.一个模拟输出电压用二进制表示为12
21
()2222
n
i n
OUT i n i a a a a U FSR FSR ===+++
∑
最低有效位的值2
n FSR
LSB =
=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1(1,2,
,)i a i n ==，最大输出电压
max U 也不与FSR 相等，而是差一个量化单位q ，可确定下式max 1(1)2
n U FSR =-
(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12341234(842)(842)10100
OUT FSR FSR
U a a a a b b b b =++++++++
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12
n FSR
FSR --。
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 L
ON S R R R +，因而
(1)()OE S S ON U n I R R =-+,式中n 是并
联的模拟开关数，S I 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T C 表示连到测试点的所有开关输出电
容OUT C 与负载电容L C 之和得时间常数()C S ON T T R R C =+,对时
间常数C T 的RC 电路，其设定时间为100
ln
s C t T =误差
对于开关闭合时的带宽，设I
T C C ,则该电路
的带宽为3dB 1
2()S ON T
f R R C π=
+
3）源负载效应误差：指有信号源电阻S R 和开关导通电阻
ON R 与多路开关所接器件的等效电阻L R 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L R 上的信号减小，因此应合理设计，开关所接器件的()L
S ON R R R +,可根据,,S ON L R R R 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0340
121234()()()
i i i i U U U U K U U U U U U -=
=---
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123456,,R R R R R R ===,则051123
2(1)i i G U R
R K U U R R =
=-+-
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in U 时，在放大器输出端测量出电压变化值cm U ，则共模抑制比CMRR 可为20log
cm
in
U CMRR U = 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
H C 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1A 和2A 分别是输入和输出缓冲放大器，用以提2A 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k U 控制其断开或闭合；H C 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o U 反馈到输入端，使1A 和2A 共同组成一个跟踪器。
注意：在保持状态，由于2K 是闭合的，放大器1A 的输出仍在跟踪输入，避免1A 开环而进入饱和，使得当采样/