数据采集的信号类型及其应用场景分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：TTL规格指出，当强度落在0～0.8V之间时，数字信号视为低；在2～5V之间则视为高。一个开/关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。第二类数字信号是脉冲信号。应该选择可产生最大准确度的数据采集系统来协助测量模拟信号强度。

数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。

任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（state）、速率（rate）、电平（level）、形状（shape）、频率成分（frequency content）。

根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字（二进制）信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号。

1.数字信号

数字信号不能以时间为基准而赋予任何数值。数字信号只有两个可能值为高或低。数字信号通常会符合一个特定的规格，该规格定义了信号的特性。数字信号常被称为“晶体管至晶体管逻辑（Transistor-to-Transistor Logic，TTL）”。TTL规格指出，当强度落在0～0.8V之间时，数字信号视为低；在2～5V之间则视为高。可以从数字信号中测量而得的有用信息包括状态（State）和速率（Rate），如图3-2所示。

图3-2 数字信号的主要特征

（1）状态

数字信号不会以相对于时间的方式以数值呈现。数字信号的状态基本上就是信号的强度（有或无，高或低）。监视开关的状态（开或关）是常见的应用，说明了知道数字信号状态的重要性。

（2）速率

数字信号的速率决定数字信号相对于时间改变状态的方式。测量数字信号速率的范例之一就是判断电动机转轴的转速。和频率不同，数字信号的速率是测量单位时间内某种特征信号出现的次数。数字信号的处理不需要复杂的软件算法来确定，也不需要使用软件运算法来判断信号的速率。

数字信号可以分为以下两类：

第一类数字信号是开/关信号。一个开/关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开/关信号，一个TTL信号如果在2～5V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0～0.8V之间，就定义为逻辑低电平。

第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在电动机轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式电动机就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。

2.模拟信号

模拟信号可以是任何与时间对比的值。模拟信号的例子包括电压、温度、压力、声音，以及负载。模拟信号的三项主要特性是幅值（level）、形状（shape），以及频率（frequency），如图3-3所示。

图3-3 模拟信号的主要特征

（1）幅值

由于模拟信号可以是任何值，因此强度提供关于所测模拟信号的重要信息。光线的强度，房间的温度，以及舱房内的压力，都是说明信号强度重要性的例子。在测量信号的强度时，通常信号不会迅速随着时间变动。但是测量的准确度非常重要。应该选择可产生最大准确度的数据采集系统来协助测量模拟信号强度。

（2）形状

有些信号是以其特殊形状来命名—正弦、方波、锯齿，以及三角形。模拟信号的形状可能和强度一样重要，因为测量模拟信号的形状可以进一步分析该信号，包括波峰值、DC值，以及坡度。形状占有相当重要性的信号通常会随着时间快速变动，但是系统的准确度仍然很重要。心跳、影像信号、声音、震动，以及电路响应的分析，都是包括形状测量的一些应用。

（3）频率

所有的模拟信号都可以用它们的频率来分类。和信号的形状或强度不同的是，频率不能直接进行测量。信号必须使用软件进行分析，才能判断其频率信息。这种分析通常使用一种名叫“傅立叶变形（Fourier Transform）”的运算法来进行。

当频率是最重要的信息时，就必须同时考虑准确度和采集速度。虽然为了采集信号频率所需的采集速度低于取得信号形状所需的速度，但是信号仍然必须以足够的速度采集，才不至于在采集模拟信号时失去重要信息。确保获得此速度的条件称为奈奎斯特取样定理（Nyquist Sampling Theorem）。语音分析、电信，以及地震分析，都是必须知道信号频率的应用范例。

模拟信号可以分为以下几种类型：

（1）模拟直流信号

模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。

（2）模拟时域信号

模拟时域信号与其他信号不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个A-D、一个采样时钟和一个触发器。A-D的分辨率要足够高，保证采集数据的精度、带宽要足够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。存在许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通常是因为对波形的某些方面特性感兴趣。

（3）模拟频域信号

模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个A-D、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。

上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不止一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。

根据信号源参考点的连接方式（接地与不接地），可以分为接地信号和浮动信号，分别介绍如下：

1）接地信号。接地信号就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。

2）浮动信号。一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。

数据采集的信号类型及其应用场景分析

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