细说模拟信号采样与AD转换
实际中，信号往往是无线带宽的，如何保证带宽有限？所以，我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器，使信号变成带宽有限，再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。
来捋一捋，几个点：
带宽有限（band-limited）
采样频率大于2倍信号最高频率后可以无失真的恢复出原始信号
实际中，信号往往是无线带宽的，如何保证带宽有限？所以，我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器，使信号变成带宽有限，再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。
虽说是不能小于等于2倍，但选2倍是不是很好呢，理论上，选择的采样频率越高，越能无失真的恢复原信号，但采样频率越高，对后端数字系统的处理速度和存储要求也就越高，因此要选择一个折中的值。
如果后端数字信号处理中的窗口选择过窄，采样率太高，在一个窗口内很难容纳甚至信号的一个周期，这从某方面使得信号无法辨识。比如，数字信号处理的窗口大小为1024个点，采样率为50KHz，则窗口最多容纳1024*（1/50KHz）=20.48ms的信号长度，若信号的一个周期为30ms》20.48ms，这就使得数字信号的处理窗口没法容纳一个周期信号，解决的办法就是在满足要求的前提下使用减小采样率或增加窗口长度。
1 模数转换
记得有一次参加中科院计算所的实习笔试，里面就有这么一道题：模拟信号转换到数字信号要经历哪两个步骤？还好，早有准备，立刻填上了采样和量化。我们下面就来详细分析下这两个过程，但在分析之前，我们先给出一张整个过程的流图，您可以先想想为什么需要各模块。
程控放大器
课程设计任务书 学生：凯鑫专业班级：电信1203班 指导教师：阙大顺，王虹工作单位：信息工程学院 题目: 信号采集与重建的编程实现 初始条件： 1.Matlab6.5以上版本软件； 2.课程设计辅导资料：“Matlab语言基础及使用入门”、“数字信号处理原理与实现”、“Matlab及 在电子信息课程中的应用”等； 3.先修课程：信号与系统、数字信号处理、Matlab应用实践及信号处理类课程等。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1.课程设计时间：1周（课实践）； 2.课程设计容：信号采样与重建的编程实现，具体包括：连续信号的时域采样、频谱混叠分析、 由离散序列恢复模拟信号等； 3.本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，针对具 体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出程序设计框图，编写程序代码（含注释），上机调试运行程序，记录实验结果（含计算结果和图表），并对实验结果进行分析和总结； 4.课程设计说明书按学校“课程设计工作规”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： ①目录； ②与设计题目相关的理论分析、归纳和总结； ③与设计容相关的原理分析、建模、推导、可行性分析； ④程序设计框图、程序代码（含注释）、程序运行结果和图表、实验结果分析和总结； ⑤课程设计的心得体会（至少500字）； ⑥参考文献； ⑦其它必要容等。 时间安排： 1）第1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。 2）第3-4天，方案选择和电路设计仿真。 3）第4-5天，电路调试和设计说明书撰写。 4）第6天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
采样,其他名称：取样，指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。 1采样简介 解释1所谓采样(sampling)就是采集模拟信号的样本。 采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散（时间上有固定间隔）、但幅值上仍连续的离散模拟信号。所以采样又称为波形的离散化过程。 解释2把模拟音频转成数字音频的过程,就称作采样，所用到的主要设备便是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter，即ADC，与之对应的是数/模转换器,即DAC）。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。采样的频率越大则音质越有保证。由于采样频率一定要高于录制的最高频率的两倍才不会产生失真，而人类的听力范围是20Hz～20KHz，所以采样频率至少得是20k×2=40KHz，才能保证不产生低频失真，这也是CD音质采用44.1KHz(稍高于40kHz是为了留有余地)的原因。 通过周期性地以某一规定间隔截取音频信号，从而将模拟音频信号变换为数字信号的过程。每次采样时均指定一个表示在采样瞬间的音频信号的幅度的数字。 2采样频率 每秒钟的采样样本数叫做采样频率。 采样频率越高，数字化后声波就越接近于原来的波形，即声音的保真
度越高，但量化后声音信息量的存储量也越大。 采样频率与声音频率之间的关系： 根据采样定理，只有当采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把离散模拟信号表示的声音信号唯一地还原成原来的声音。 目前在多媒体系统中捕获声音的标准采样频率定为44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz三种。而人耳所能接收声音频率范围大约为20Hz--20KHz，但在不同的实际应用中，音频的频率范围是不同的。例如根据CCITT公布的声音编码标准，把声音根据使用范围分为以下三级： ·电话语音级：300Hz-3.4kHz ·调幅广播级：50Hz-7kHz ·高保真立体声级：20Hz-20kHz 因而采样频率11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz正好与电话语音、调幅广播和高保真立体声（CD音质）三级使用相对应。 DVD标准的采样频率是96kHz 3采样位数 采样位数可以理解为采集卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。我们首先要知道：电脑中的声音文件是用数字0和1来表示的。所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换成数字信号。反之，在播放时则是把数字信号还原成模拟声音信号输出。采集卡的位是指采集卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。采集卡的位客观地反映了数字
实验目的： 1.了解用MATLAB语言进行时域抽样与信号重建的方法 2.进一步加深对时域信号抽样与恢复的基本原理的理解 3.掌握采样频率的确定方法和内插公式的编程方法。 二．实验内容 1认真阅读并输入实验原理与方法中介绍的例子，观察输出波形曲线，理解每一条语句的含义。. 2．已知一个连续时间信号f(t)=sinc(t)。取最高有限带宽频率fm=1Hz。（1）分别显示原连续时间信号波形和Fm=fm、Fm=2fm、Fm=3fm三种情况下抽样信号的波形。 实验程序： dt=0.1; f0=1; T0=1/f0; fm=f0; Tm=1/fm; t=-2:dt:2; f=sinc(t); subplot(4,1,1),plot(t,f,'k'); axis([min(t) max(t) 1.1*min(f) 1.1*max(f)]); title('原连续信号和抽样信号'); for i=1:3; fs=i*fm; Ts=1/fs;
n=-2:Ts:2; f=sinc(n); subplot(4,1,i+1),stem(n,f,'filled','k'); axis([min(n) max(n) 1.1*min(f) 1.1*max(f)]); end 实验截图： （2）求解原连续信号波形和抽样信号所对应的幅度谱。实验程序： dt=0.1;t=-4:dt:4;
N=length(t);f=sinc(t);Tm=1;fm=1/Tm; wm=2*pi*fm;k=1:N; w1=k*wm/N; F1=f*exp(-j*t'*w1)*dt; subplot(4,1,1),plot(w1/(2*pi),abs(F1));grid axis([0 max(4*fm) 1.1*min(F1) 1.1*max(F1)]); for i=1:3; if i<= 2 c=0 ,else c=0.2,end fs=(4-i+c)*fm; Ts=1/fs; n=-4:Ts:4; f=sinc(n); N=length(n); wm=2*pi*fs; k=1:N; w=k*wm/N; F=f*exp(-j*n'*w)*Ts; subplot(4,1,5-i),plot(w/(2*pi),abs(F),'k');grid axis([0 max(4*fm) 1.1*min(F) 1.1*max(F)]); end 实验截图：
课程设计任务书 学生姓名：周国阳专业班级：电信1001班 指导教师：沈维聪工作单位：信息工程学院题目：高速数据采集系统原理分析和设计 初始条件： 数据采集是数字信号处理的前提，研究和设计数据采集系统就显得尤为重要。本课程设计题要求学生在广泛查阅资料的基础上，对高速数据采集系统技术进行分类和比较，并作相关设计。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） （1）搜索出若干种高速数据采集系统方案并对它们进行分析和比较。 （2）设计出一款高速数据采集系统。 （3）对所设计的高速数据采集系统的性能指标进行分析。 （4）给出系统（或部分）的仿真。 时间安排： 一周，其中3天设计，2天调试 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要................................................. 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。Abstract............................................. I残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 1. 开发环境.......................................... 0酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1.1仿真工具...................................... 0彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1.2编程工具...................................... 0謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。2硬件模块........................................... 1厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 3.基本原理........................................... 3茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 3.1采样.......................................... 3鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 3.2量化与编码.................................... 3籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 3.3时钟频率合成.................................. 3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 3.4存储技术...................................... 4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 4. 高速数据采集系统的方案............................ 5铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 4.1单片机控制的高速数据采集系统.................. 5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 4.2 基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统.......... 8贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 4.3基于DSP和ADS8364的高速数据采集处理系统..... 10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 5.高速数据采集系统的方案分析比较.................... 12蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 6.设计系统.......................................... 14買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 6.1设计思想..................................... 14綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 6.2硬件电路..................................... 15驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 6.3电路分析..................................... 16猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 7.仿真结果及分析.................................... 17锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 7.1仿真结果..................................... 18構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 7.2结果分析..................................... 19輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 8.总结.............................................. 20尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。参考文献............................................ 21识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。附录一代码......................................... 22凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
//文件名main.m clear; clc; f0=10000; %用来模拟模拟信号的数字信号的采样频率 fs< 高速信号采集板卡——从10MS/s到10GS/s采样率范围 坤驰科技将于近期发布PCIe 250MS/s, 500MS/s, 1GS/s, 2.5GS/s, 5GS/s采样率高速信号采集板卡！模拟带宽可达3GHz，总线传输速率可达3GB/s。 高速信号采集板卡用于应用于宽带信号采集与处理，与SATA阵列、Flash存储卡可以组建采集存储系统，与GPU可以组建实时信号处理系统。应用于超声、雷达、无线通信、软件无线电、电子对抗、电子侦察、卫星导航、复杂电磁环境模拟信号的高速采集、分析、记录、存储和数据回放。 M4i系列在采样率和分辨率方面都是最出色的。PCIe×8 Gen2 接口提非常优秀的数据流模式。拥有独立ADC的双通道或者四通道提供14bit和16bit分辨率，将满足高质量的信号采集需求。M4i家族包括： AD数据采集卡 M4i.4451-×8: 4通道500MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 M4i.4450-×8: 2通道500MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 M4i.4421-×8: 4通道250MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 M4i.4420-×8: 2通道250MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 M4i.4411-×8: 4通道130MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 M4i.4410-×8: 2通道130MS/s/ch 16bit PCIe高速信号采集板卡 QT系列是基于V6 FPGA设计的PCIeX8高速数据采集卡，具有有出色的动态特性，采样率指标从250MS/s到5GS/s,精度从8bit到16bit，支持FPGA开发。 MATLAB 在数字信号处理中的应用：连续信号的采样与重建 一、 设计目的和意义 随着通信技术的迅速发展以及计算机的广泛应用，利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，现代应用中经常要求对模拟信号采样，将其转换为数字信号，然后对其进行计算处理，最好在重建为模拟信号。 采样在连续时间信号与离散时间信号之间其桥梁作用，是模拟信号数字化的第一个步骤，研究的重点是确定合适的采样频率，使得既要能够从采样信号（采样序列）中五失真地恢复原模拟信号，同时由要尽量降低采样频率，减少编码数据速率，有利于数据的存储、处理和传输。 本次设计中，通过使用用MATLAB 对信号f （t ）=A1sin(2πft)+A2sin(4πft)+A3sin(5πft)在300Hz 的频率点上进行采样，并进行仿真，进一步了解MA TLAB 在数字信号处理上的应用，更加深入的了解MA TLAB 的功能。 二、 设计原理 1、 时域抽样定理 令连续信号 xa(t)的傅立叶变换为Xa （j Ω），抽样脉冲序列p(t)傅立叶变换为P （j Ω），抽样后的信号x^(t)的傅立叶变换为X^(j Ω)若采用均匀抽样，抽样周期Ts ，抽样频率为Ωs= 2πfs ，有前面分析可知：抽样过程可以通过抽样脉冲序列p （t ）与连续信号xa （t ）相乘来完成，即满足：x^(t)p(t),又周期信号f （t ）傅立叶变换为： F[f(t)]=2[(]n s n F j n π δ∞ =-∞Ω-Ω∑ 故可以推得p(t)的傅立叶变换为： P （j Ω）=2[(]n s n P j n π δ∞ =-∞Ω-Ω∑ 其中： 根据卷积定理可知： X （j Ω）=12π Xa （j Ω）*P(j Ω) 得到抽样信号x （t ）的傅立叶变换为： X （j Ω）= [()]n n s n P X j n ∞=-∞Ω-Ω∑ 其表明：信号在时域被抽样后，他的频率X （j Ω）是连续信号频率X （j Ω）的形状以抽样频率Ωs 为间隔周期重复而得到，在重复过程中幅度被p （t ）的傅立叶级数Pn 加权。因为只是n 的函数，所以X （j Ω）在重复过程中不会使其形状发生变化。 假定信号x （t ）的频谱限制在-Ωm~+Ωm 的范围内，若以间隔Ts 对xa （t ）进行抽样信号X^（j Ω）是以Ωs 为周期重复。显然，若早抽样过程中Ωs<Ωm ，则 X^ (j Ω)将会发生频谱混叠的现象，只有在抽样的过程中满足Ωs>2Ωm 条件，X^(j Ω)才不会产生混频的混叠，在接收端完全可以有x^（t ）恢复原连续信号xa （t ），这就是低通信号的抽样定理的核心内容。 模拟量输入通道之模拟信号的采样与恢复 (2011-04-06 01:49:21) 标签： 杂谈 典型的计算机控制系统的结构如图2-2-1所示，计算机只能接受、处理数字信号，其输出也是数字量。因此，一方面从现场检测的连续信号必须经过采样、A/D 转换等量化处理变换为数字信号，才能由计算机进行控制运算或其他处理；另一方面，计算机输出的离散数字量也必须经过D/A 转换器和保持器形成连续信号，才能控制需要连续输入的被控对象。 其中，r(t)为输入信号；e(t)为误差信号；u(t)为控制信号；y(t)为输出状态信号； e*(t)为采样后误差模拟信号（离散）；e(kT)为采样后误差数字信号；u*(t)为离散的控制模拟信号；u(kT)为控制数字信号。 采样器、保持器和数字控制器的结构形式和控制规律决定系统动态特性，是研究的主要对象。控制系统的稳态控制精度由A/D 、D/A 转换器的分辨率决定。这说明A/D 和D/A 转换器只影响系统的稳态控制精度，而不影响动态指标。为了突出重点，这里只讨论影响系统动态特性的基本问题。为了便于数学上的分析和综合，在分析和设计计算机控制系统时，常常假定A/D 、D/A 转换器的 精度足够高，使量化误差可以忽略，于是A/D、D/A只存在于物理上的意义而无数学上的意义，即数字信号与采样信号e(kT)与 u(kT)与u*(t)是等价的。图 e*t 1.10可进一步简化为如图2-2-2所示。 2.2.1.1信号的采样过程 在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列的过程叫做采样过程，实现采样的装置叫做采样开关。 计算机对某个随时间变化的模拟量进行采样，是利用定时器控制的开关，每隔一定时间使开关闭合而完成一次采样。开关重复闭合的时间间隔T为采样周期。所谓采样过程是指：将一个连续的输入信号，经开关采样后，转变为发生在采样开关闭合瞬时刻0，T，2T,...,nT的一连串脉冲输出信号。采样过程的原理如图2-2-3所示。 高速信号采集存储记录回放系统5GSPS 10bit高速信号采集存储记录回放系统主要应用于雷达、通信、电子对抗、高能物理、质谱分析、数字高清电视测试等高科技领域。西安慕雷电子在高速信号采集存储记录回放系统研发及应用领域拥有十多年经验，2013年底发布了5GSPS 10bit高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G，采集存储带宽高达6000MB/S。高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G的成功发布代表西安慕雷电子在高速信号采集存储记录回放领域为国防军事及科研领域又提供一套高性能解决方案。 图一高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G采集模块 高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G模块参数： ●输入接口： 连接器：SMA； 输入方式：AC耦合； 通道数量：单通道、2通道、4通道、8通道、16通道。 ●AFE模块： 高速信号采集存储记录回放系统中的信号调理模块一般采用衰减、滤波及程控增益放大器等对信号进行处理，高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G 采用低噪声宽带放大器，减少前端调理对高速信号采集存储记录回放系统动态性能影响。 图二高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G前端 高速信号采集存储记录回放系统的ADC芯片采用E2V公司的EV10AQ190A，最高达5GSPS采样，模拟带宽3GHZ。 图三高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G频率响应 ●时钟管理模块： 高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G可选择外时钟、内时钟或参考时钟 ●FPGA模块： XILINX或ALTERA的FPGA芯片广泛用于高速信号采集存储记录回放系统中。FPGA模块开放编程是高速信号采集存储记录回放系统的必备能力。高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G采用ALTERA STRATIX5系列高性能FPGA。 图四高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G ●DDR模块： 高速信号采集存储记录回放系统一般都会配有DDR缓存，存储采集过程中的数据。高速信号采集存储记录回放系统MR-SYS-5G配置有16GB DDR3。 FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样设计方案 第二章总体方案设计 2.1 系统方案设计 在以往的A/D器件采样控制设计中，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。单片机的速度极大的限制了A/D高速性能的利用，而FPGA的时钟频率可高达100MHz以上。本设计以高集成度的芯片为核心，进行时序控制、码制变换。具有开发周期短，灵活性强，通用能力好，易于开发、扩展等优点。既降低了设计难度，又加快了产品的开发周期。 基于FPGA的信号采集系统主要有：A/D转换器，FPGA，RS232通信，PC机组成。A/D 转换器对信号进行会采集，A/D 部集成了采样、保持电路，可有效的降低误差，减少外围电路的设计，降低系统的功耗。A/D在接受到指令后进行采集，FPGA采集控制模块首先将采集到的通过A/D 转换城的数字信号引入FPGA，而后对数字信号送往算法实现单元进行处理，并存于FPGA部RAM中，再将数据由RS232传送到PC上做FFT,实现对采集信号的时域和频域的显示。 图2.1.1系统的总体框图： FPGA的设计结构如图2.1.2所示。数字倍频器的倍频输出提供ADC控制器的采样触发脉冲。根据ADC0809操作时序，ADC控制器来实现ADC0809的数据采集操作，采样的时机由倍频器来控制。控制器每控制完成一次采样操作，则停止等待下一个触发脉冲的到来。倍频器每输出一个低电平脉冲，ADC采样控制器的状态机进行一次采样操作。在倍频器的触发控制下，完成被测信号一个基波周期N个点的等间隔采样，同时数字倍频器跟踪输入信号的频率的变化，尽可能地保持N个点的采样宽度正好为被测信号一个周波的宽度。- 时钟分配及各模块的控制：在协调模块工作时，起到很重要的作用。引进晶振产的时钟信号，根据实际需要对起进行倍频或分频，使A/D的采样频率，RAM的读写频率，信号处理实现的核心模块的工作频率一致。 单片机开发与设计工程师 考试文档 学校：湖南人文科技学院 题目：4路模拟信号采集系统 学生姓名: 陈自斌易颂文 起止日期:2010-6-15~2010-6-25 摘要 本次设计是建立一个四路模拟信号采集系统，能处理模拟信号（0~5V），同时对信号进行循环采样并通过键盘控制输出。它主要由A/D转换模块、单片机、显示模块、控制器模块组成。其中最主要的部分是单片机和A/D转换器，首先被测模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，然后通过单片机的处理，在数码管上不停的显示4路的采样数据，通过的给一个控制信号，可以选择的任意一路信号在数码管上面输出显示。 关键词：A/D转换模块；单片机；控制模块 目录 设计要求 (1) 1、方案 (1) 2、单元电路设计 (2) 2.1A/D转换模块 (2) 2.2单片机 (3) 2.3显示模块 (3) 2.4控制模块设计 (4) 3、系统软件设计 (5) 3.1系统工作流程 (5) 4、总原理图 (5) 5、调试结果及分析 (6) 7、详细仪器清单 (7) 参考文献 (8) 附录 (9) 4路模拟信号采集系统 设计要求 1.4路模拟量输入，范围0-5V； 2.对4个通道的模拟量进行巡回采样，再将采集的数据进行工程量转换； 3.能通过按键切换所选通道； 4.数据在LED显示器上显示，并能够通过键盘操作切换显示不同通道的采样值。 1、方案 此方案以单片机STC89C52为核心，对四路模拟信号进行循环采样输出。首先，信号通过一个A/D转换模块把模拟信号转换成数据信号，在通过STC89C52和8255的控制，由按键控制选择一路信号在LED数码管上显示。4路模拟信号采集系统原理框图如图1所示： 图1 系统方框图 实验九信号的自然采样与恢复 一、实验目的： 1、理解信号的采样及采样定理以及自然采样信号的频谱特征。 2、掌握和理解信号自然采样以及信号重建的原理，并能用MATLAB实现。 二、实验原理及方法： 本实验主要涉及采样定理的相关内容以及低通滤波器恢复原连续信号的相关知识。信号的抽样与恢复示意图如图7-1所示。 图7-1 信号的抽样与恢复示意图 信号抽样与恢复的原理框图如图7-2所示。 图 7－2 信号抽样与恢复的原理框图 由原理框图不难看出，A/D 转换环节实现抽样、量化、编码过程；数字信号处理环节对得到的数字信号进行必要的处理；D/A 转换环节实现数/模转换，得到连续时间信号；低通滤波器的作用是滤除截止频率以外的信号，恢复出与原信号相比无失真的信号。 原信号得以恢复的条件是B f s 2≥，其中s f 为采样频率，B 为原信号占有的频带宽度。B f 2min =为最低采样频率，当B f s 2<时，采样信号的频率会发生混迭，所以无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。 三、实验内容及步骤： 给定带限信号 f(t)，其频谱为 1、画出此信号的频谱图（ω的取值：-0.5π <ω <0.5π ，精度取0.01rad ）。 答：画出f(t)的频谱图即F(W)的图像 程序代码如下： #include if (w>=-0.5*PI && w<=0.5*PI) return cos(w); else return 0; } main() { double w,F; FILE *fp; for (w=-0.5*PI;w<=0.5*PI;w+=0.01) { F=f(w); printf("w=%.2f, F(w)=%f\n",w,F); fp=fopen("d:\\2.txt","w"); fprintf(fp,"%f\t",F); } system("pause"); } ③F(W)的图像 第二章总体方案设计 2.1 系统方案设计 在以往的A/D器件采样控制设计中，多数是以单片机或CPU为控制核心，虽然编程简单，控制灵活，但缺点是控制周期长，速度慢。单片机的速度极大的限制了A/D高速性能的利用，而FPGA的时钟频率可高达100MHz以上。本设计以高集成度的芯片为核心，进行时序控制、码制变换。具有开发周期短，灵活性强，通用能力好，易于开发、扩展等优点。既降低了设计难度，又加快了产品的开发周期。 基于FPGA的信号采集系统主要有：A/D转换器，FPGA，RS232通信，PC机组成。A/D 转换器对信号进行会采集，A/D 内部集成了采样、保持电路，可有效的降低误差，减少外围电路的设计，降低系统的功耗。A/D在接受到指令后进行采集，FPGA采集控制模块首先将采集到的通过A/D 转换城的数字信号引入FPGA，而后对数字信号送往算法实现单元进行处理，并存于FPGA内部RAM中，再将数据由RS232传送到PC上做FFT,实现对采集信号的时域和频域的显示。 图2.1.1系统的总体框图： FPGA的设计结构如图2.1.2所示。数字倍频器的倍频输出提供ADC控制器的采样触发脉冲。根据ADC0809操作时序，ADC控制器来实现ADC0809的数据采集操作，采样的时机由倍频器来控制。控制器每控制完成一次采样操作，则停止等待下一个触发脉冲的到来。倍频器每输出一个低电平脉冲，ADC采样控制器的状态机进行一次采样操作。在倍频器的触发控制下，完成被测信号一个基波周期N个点的等间隔采样，同时数字倍频器跟踪输入信号的频率的变化，尽可能地保持N个点的采样宽度正好为被测信号一个周波的宽度。- 时钟分配及各模块的控制：在协调模块工作时，起到很重要的作用。引进晶振产的时钟信号，根据实际需要对起进行倍频或分频，使A/D的采样频率，RAM的读写频率，信号处理实现的核心模块的工作频率一致。 语音信号采集与简单处理 一、实验目的、要求 （1）掌握语音信号采集的方法 （2）掌握一种语音信号基音周期提取方法 （3）掌握短时过零率计算方法 （4）了解Matlab 的编程方法 二、实验原理 基本概念： （a ）短时过零率： 短时内，信号跨越横轴的情况，对于连续信号，观察语音时域波形通过横轴的情况；对于离散信号，相邻的采样值具有不同的代数符号， 也就是样点改变符号的次数。 对于语音信号，是宽带非平稳信号，应考察其短时平均过零率。 其中sgn[.]为符号函数 x(n)-1sgn(x(n))0 x(n)1sgn(x(n)) 短时平均过零的作用 1.区分清/浊音： 浊音平均过零率低，集中在低频端； 清音平均过零率高，集中在高频端。 2.从背景噪声中找出是否有语音，以及语音的起点。 （b ）基音周期 基音是发浊音时声带震动所引起的周期性，而基音周期是指声带震动频率的倒数。基音周期是语音信号的重要的参数之一，它描述语音激励源的一个重要特征，基音周期信息在多个领域有着广泛的应用，如语音识别、说话人识别、语音分析与综合以及低码率语音编码，发音系统疾病诊断、听觉残障者的语音指导等。因为汉语是一种有调语言，基音的变化模式称为声调，它携带着非常重要的具有辨意作用的信息，有区别意义的功能，所以，基音的提取和估计对汉语更是一个十分重要的问题。 由于人的声道的易变性及其声道持征的因人而异，而基音周期的范围又很 10)] 1(sgn[)](sgn[21N m n n n m x m x Z 宽，而同—个人在不同情态下发音的基音周期也不同，加之基音周期还受到单词 发音音调的影响，因而基音周期的精确检测实际上是一件比较困难的事情。基音 提取的主要困难反映在：①声门激励信号并不是一个完全周期的序列， 在语音的头、尾部并不具有声带振动那样的周期性，有些清音和浊音的过渡帧是很难准确地判断是周期性还是非周期性的。②声道共振峰有时会严重影响激励信号的谐波结构，所以，从语音信号中直接取出仅和声带振动有关的激励信号的信息并不容易。③语音信号本身是准周期性的(即音调是有变化的)，而且其波形的峰值点或过零点受共振峰的结构、噪声等的影响。④基音周期变化范围大，从老年男性的50Hz 到儿童和女性的450Hz ，接近三个倍频程，给基音检测带来了一定的困难。由于这些困难，所以迄今为止尚未找到一个完善的方法可以对于各类人群(包括男、女、儿童及不向语种)、各类应用领域和各种环境条件情况下都能获得满意的检测结果。 尽管基音检测有许多困难，但因为它的重要性，基音的检测提取一直是一个研究的课题，为此提出了各种各样的基音检测算法，如自相关函数 (ACF)法、峰值提取算法(PPA)、平均幅度差函数(AMDF)法、并行处理技术、倒谱法、SIFT 、谱图法、小波法等等。 三、使用仪器、材料 微机（带声卡）、耳机，话筒。 四、实验步骤 （1）语音信号的采集 利用Windows 语音采集工具采集语音信号，将数据保存 wav 格式。采集一组浊音信号和一组清音信号，信号的长度大于 3s 。（2）采用短时相关函数计算语音信号浊音基音周期，考虑窗长度对基音周期计算的影响。采用倒谱法求语音信号基音周期。 （3）计算短时过零率，清音和浊音的短时过零率有何区别。 五、实验过程原始记录（数据，图表，计算） 短时过零率 短时相关函数 P j j n s n s j R N j n n n n ,,1)()() (1 10)] 1(sgn[)](sgn[21N m n n n m x m x Z 双通道高速24位模拟信号无线采集器的实现 发表时间：2019-09-03T16:54:19.557Z 来源：《建筑细部》2019年第1期作者：叶少强易国凯[导读] 绝大部分工程仪器，离不开对各种传感器信号、模拟信号的采集并转换为可分析数字量信号。 叶少强易国凯 广州山锋测控技术有限公司广东广州 510656 摘要：绝大部分工程仪器，离不开对各种传感器信号、模拟信号的采集并转换为可分析数字量信号。转换后的数字量化信号，再通过数字量运算得到想要的测试结果。模拟信号到数字信号的转换，对仪器来说是一个很重要的环节。本文将介绍一种基于无线Wi-Fi设计一款双通道，24位模拟信号无线采集器的方案与实现方法。 关键词：24位ADC；双通道采集器；CPLD；单片机；无线WIFI； 0 引言 绝大部分工程仪器，离不开对各种传感器信号、模拟信号的采集并转换为可分析数字量信号，再通过数字量运算得到想要的测试结果。模拟信号到数字信号的转换，对仪器来说是一个很重要的环节。目前市面上有多种模拟采集办卡相对比较成熟，有16位、也有24位采集器，大部分以通用仪器板卡的形式存在，如PXI、PCI、PCIE等通用板卡接口，也有通用USB接口的采集盒。但是以板卡形式存在主要是针对通用仪器，需要配合专用的机箱、硬件设备才可以应用。基于以上的种种情况及客户需求分析，本文介绍一种基于Wi-Fi无线，双通道模拟信号采集器设计方案与实现。该采集器，支持24位、最高400K采样率、高采样精度、可设采样深度、无线Wi-Fi传输、电池供电等功能。 1 总体方案设计 双通模拟信号采集器工作时的示意图如图1。 图 1双通道无线采集器工作示意图 采集器，工作时充当一个无线Wi-Fi热点AP功能，支持控制终端通过Wi-Fi方式接入到采集器。采集模拟信号时，传感器信号经过调理电路，放大、转换为ADC可采集的模拟信号；调理后的模拟信号经过ADC转换器，量化为采样数字信号；量化后的采样数字信号经过CPLD的桥接，由MCU通过DMA快速缓存到内部存储器或外部存储器；MCU通过Wi-Fi将缓存的采样数据上传给上位机。通过以上步骤，采集器完成双通道模拟信号的采集，并将采集信号上传给上位机显示处理。采集器，主要由传感器接口及调理电路、ADC采样机及控制、MCU及缓存、触发控制、无线通信、电源管理等部分电路组成，其原理框图如图2所示。 图2 采集器原理框图 2 传感器接口及调理 采集器，主要用于采集传感器信号。传感器信号具有幅度不确定、动态范围大、频率范围宽、源阻抗大等特点。ADC采样之前，需要经过调理电路对传感器信号进行阻抗调整，幅度变换。 信号调理电路方案设计，使用了可调节增益的仪表放大器AD8253作为前置放大器，使用ADA4896-2作为ADC的驱动电路。调理电路的组成原理框图如图3所示。 图3 传感器调理原理框图 AD8253是一款数字可编程增益仪表放大器。AD8253支持电压增益为1、10、100、1000四挡数字可编程增益。相比使用传统的固定增益仪表放大器，加上PGA电路，AD8253省去了电路复杂度，大大降低了前置放大器的噪声。 《信号采集与处理》 学院：信息科学与工程学院 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 1 绪论 随着计算机技术的发展，数据采集系统的应用也日益广泛。数据采集是工业控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。此外，在科研过程中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据的重要手段之一。 数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统的目的是便于对一些物理量进行监视、控制。即将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。换言之，其主要功能就是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。 数据采集系统一般由数据输入通道，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。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。 随着数字化进程的加快，工业生产和科学研究等各个领域对数据采集提出了更高的要求。数据采集作为信息处理系统的最前端，从广义上讲，主要包括以下几个方面：数据的采集、数据的存储、数据的初步处理等，并且一般需要通过PC接口总线将数据送入计算机，根据不同的需要进行相应的算法处理。简言之，数据采集系统的主要任务就是把输入的模拟信号转换成数字信号，并对其进行处理，为进一步操作做准备。 2 交流信号采集与处理 在电力系统监控系统中，对发电厂、变电站、母线、输电线路等回路的电流都应该加以测量。一般这些线路上的电流都很大，不可能直接进行测量，因此先用电流互感器（TA）将大电流转换为小电流，而交流电流变送器捷成TA 的负载。图1为电流变送器与电流互感器的连接。 高速大容量模拟信号采集与存储系统 一、立题背景 1.选题背景和意义 随着计算机的广泛应用和电子学的高速发展，数字系统已被广泛地应用于国民经济、国防建设和科学试验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界的各种各样信息经过传感器转换以后，除了极小部分为数字信号和开关信号之外，绝大部分以电压或电流等模拟量的形式存在，所以往往需要将这些模拟信号转化为便于处理和存储的数字信号。这部分工作就需要数据采集系统来完成。所谓数据采集就是将模拟信号转化为数字信号，并进一步予以处理、显示、存储和记录的过程，是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，数据采集存储技术使用越来越广泛。现在不管是民用领域、工业领域或是军用领域都大量地用到了数据采集存储技术，比如：语音信号的处理、雷达系统回波信号的采集存储等等。而且很多领域对数据采集存储系统的性能提出了苛刻的要求，它们需要持续高精度的采集，持续高速度大容量的存储，同时能脱机运行，有较强的便携性。比如机载合成孔径雷达，目前成像的分辨率相当高，不但能够检测、分辨机动车辆、建筑等大目标，甚至还能分辨得出鸟群、人群等小目标，要达到如此高的分辨率需要采集的数据精度和存储的数据量都是惊人的。 面对各种应用领域高精度采集，大容量、脱机、长时间持续存储等要求，现有的采集存储系统性能有限，很难同时满足这些要求。在这种情况下，很多系统为了实现长时间持续存储大容量的数据不得不采用压缩数据或存储部分数据的方法，这样就会丢失大量的有用信息，由数据得出的结论肯定也就存在误差。而现在各个领域需要得到更精确的数据，获得尽可能完整的数据信息，可见不完整的数据是达不到要求的。目前市场上虽然有便携式脱机数据采集存储系统出售，但大都专业性强，通用性差，存储容量小，价格昂贵，在实际使用中受到很大的限。所以，一套能同时满足高精度采集，大容量、长时间、持续脱机存储要求的采集存储系统是现在很多领域所据需的。 抽样定理及应用 2.1课程设计的原理 2.1.1连续信号的采样定理 模拟信号经过 (A/D) 变换转换为数字信号的过程称为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率 fs ，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成分的两倍，这称之为采样定理。时域采样定理从采样信号 恢复原信号 必需满足两个条件： (1) 必须是带限信号，其频谱函数在 ＞ 各处为零；（对信号的要求， 即只有带限信号才能适用采样定理。） (2) 取样频率不能过低，必须 ＞2 （或 ＞2）。（对取样频率的要 求，即取样频率要足够大，采得的样值要足够多，才能恢复原信号。）如果采样频率 大于或等于 ，即 （ 为连续信号 的有限频谱），则采样离散信号能无失真地恢复到原来的连续信号 。一个频 谱在区间（- ， ）以外为零的频带有限信号，可唯一地由其在均匀 间隔 （ ＜ ）上的样点值 所确定。根据时域与频域的对称性， 可以由时域采样定理直接推出频域采样定理。一个时间受限信号()t f ，它集中在（m m ωω+-,）的时间范围内，则该信号的频谱()ωj F 在频域中以间隔为1ω的冲激序列进行采样，采样后的频谱)(1ωj F 可以惟一表示原信号的条件为重复周期 m t T 21≥，或频域间隔m t f 21 21≤ = πω（其中112T πω=）。采样信号 的频谱是原 信号频谱 的周期性重复，它每隔 重复出现一次。当s ω＞2 时， 不会出现混叠现象， 原信号的频谱的形状不会发生变化，从而能从采样信号中恢复原信号。 ＞2的含义是：采样频率大于等于信号最高频率的2倍；这里的“不（注： s 混叠”意味着信号频谱没有被破坏，也就为后面恢复原信号提供了可能！） (a) (b) (c) 图* 抽样定理 a)等抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠） b)高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠） c) 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠） 2.1.2信号采样 如图1所示，给出了信号采样原理图高速信号采集板卡
MATLAB在数字信号处理中的应用：连续信号的采样与重建
模拟信号的采样与恢复
高速信号采集存储记录回放系统
FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样设计方案
4路模拟信号采集系统
实验九信号的自然采样与恢复
FPGA直接控制ADC0809对模拟信号进行采样
语音信号采集与简单处理
双通道高速24位模拟信号无线采集器的实现
信号采集与处理设计报告
高速大容量模拟信号采集与存储系统
应用_MATLAB实现连续信号的采样与重构
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