第八章 数据采集及语音处理技术

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第 19 次课 2 学时

上次课复习：DC/DC电源变换器 本次课题（或教材章节题目）：第十章 数据采集系统 第一节 数据采集系统的设计方法 教学要求： 掌握数据采集信号的基本构成、了解常用A/D转换器主要类型，掌握A/D转换器的选择方法 重 点： A/D转换器的选择方法 难 点： A/D转换器位数的确定 教学手段及教具：讲授 讲授内容及时间分配： 1. 数据采集系统的设计方法： 45分钟 2. A/D转换器的选择方法： 45分钟 课后作业 课后习题第4题 1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3 参考资料 2. 沙占友等著. 单片机外围电路设计（第2版），电子工业出版社，2006.6.6. 3. 沙占友. 单片开关电源最新应用技术，机械工业出版社，2003.1 注：本页为每次课教案首页

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第八章 数据采集及语音处理技术

第一节 数据采集统的设计方法

一、 基本教学内容：

1、数据采集系统的设计方法

（1）. 数据采集系统的基本构成

数据采集系统的基本构成如图8-1-1所示。主要包括多路模拟开关、信号调理器和

图8-1-1 数据采集系统的基本构成

A/D转换器这三大部分。信号调理器一般是通过可编程增益放大器（PGA）、自动补偿或校准电路对模拟信号进行调理，使之能满足A/D转换器对输入电压的要求。新型A/D转换器一般都包含采样/保持器（部分A/D转换器中无采样/保持器）、量化器和编码器。图8-1-1中A点为模拟信号，B点为幅度连续但在时间上离散的信号（亦称离散时间信号或序列），C点为幅度和时间均被离散化的信号，经过编码器即可输出数字信号。 多路模拟开关亦称多路转换器（Multiplexer，MUX），其作用是按规定顺序依次从多路模拟输入信号中选择其中一路送至A/D转换器进行模/数转换。

A/D转换器件的主要作用是实现量化和编码。量化就是模拟信号先经过在时间轴上抽样后获得取样电平值，再用一个预定精度的数值来近似表示的过程。

（2）. A/D转换的主要类型

目前，A/D转换器集成电路的开发应用技术受到了人们的普遍关注，国内外许多半导体公司相继推出一批各具特色的A/D转换芯片。其设计目标是通过单片IC将模拟输入信号转换成脉冲形式的数字输出信号。从电路结构上看，目前实现A/D转换的主要类型有闪烁式、积分式、逐次逼近式、∑-△式和流水线式。 2．A/D转换器的选择方法及接口示例

A/D转换器的生产厂家一般都提供产品数据手册，包含主要性能指标（静态特性、动态特性、接口特性等）、基本原理及典型用法，这是选择A/D转换器的原始依据。为正确使用厂家提供的原始资料，充分发掘器件的潜力，在选择适合特定应用场合的A/D转换器、确保A/D转换精度时，需要注意下述问题。

（1）. A/D转换器位数的选择

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A/D转换器位数的确定，首先应考虑整个测试系统需要测量的范围和精度。一般讲，A/D转换器的位数至少应比总精度所要求的最低分辨率高一位，以便与系统中其他单元（如传感器、信号预处理电路、伺服机构）的精度相适应。

（2）. A/D转换时间的选择

转换时间也是A/D转换器的一项主要指标，它限定了系统信号带宽的上限值，也限定了系统的转换速率。

（3）. A/D转换器输出接口的选择

A/D转换器的输出接口分并行接口、串行接口两大类。

（4）. A/D转换器类型的选择

采用不同原理制成的A/D转换器，其转换速率（次/s）也不尽相同，一般讲，积分式、电荷平衡式和跟踪比较式A/D转换器的转换速率较慢。逐次比较式A/D转换器的转换时间为几至几十微秒，属于中速ADC，适用于工业多通道单片机控制系统。而采用CMOS工艺的全并行、串并行及电压转移函数式的A/D转换器的速率最快，转换时间仅几十纳秒，常用于数字通信、实时光谱分析、视频数字转换及雷达系统中。

5. A/D转换器与单片机的接口示例

现以ADC0809 A/D转换器为例来介绍并行接口的A/D转换器与8051单片机的接口方法，其接口电路如图8-1-7所示。

图8-1-7 A/D转换器与8051单片机的接口电路

其电路工作过程为：首先输入3位地址，通过使ALE为高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START引脚的上升沿将逐次逼近式寄存器复位，下降沿则用来启动A/D转换。然后EOC输出信号变成低电平，表示A/D转换正在进行，直至转换结束，EOC才变为高电平，结果数据已存入锁存器，该信号可用作中断申请通知8051。8051通过使OE为高电平，打开输出三态门，将转换结果（数字量）读入8051中。 二、教学重点：

A/D转换器的选择方法

三、教学难点：

A/D转换器位数的确定；

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四、强调一点：

AD转换器是数据采集系统的“心脏”，它决定着整个系统成败。

五、归纳总结：

在选择A/D转换器八时，要同时考虑：位数、速度、接口方式、转换器类型等。

六、教学方法：

（1）以实际数据采集案例为例，说明在数据采集系统设计时，应注意的问题。 （2）比较各种A/D转换器类型，在比较中归纳总结，理解其工作原理。

（3）深入分析图8-1-7，结合单片机课程内容，给出器件各信号的处理方法，以做到举一反三。 思考题：

简述数据采集系统的基本构成。选择A/D转换器位数的方法有哪几种？

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第 20 次课 2.5 学时

上次课复习：数据采集系统的设计方法 本次课题（或教材章节题目）：第八章 数据采集系统 第二节 多路模拟开关的原理与应用 第三节 单片数据采集系统及语音处理技术 教学要求： 掌握的多路模拟开关的原理与应用 重 点： 模拟开关的工作原理 难 点：传输门的原理及模拟开关的构成 教学手段及教具：讲授 讲授内容及时间分配： 1. 多路模拟开关的原理 45分钟 2. 多路模拟开关的应用 45分钟 3. 单片数据采集系统及语音处理技术 思考题：1～3 课后作业 参考资料 1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3 2. 王晓君等编著，MCS-51单片机原理及应用选型，电子工业出版社. 2003.11 注：本页为每次课教案首页

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第八章 数据采集及语音处理技术

第一节 多路模拟开关的原理与应用

一、CMOS集成模拟开关的原理

1. 基本原理

CMOS模拟开关的优点：电源电压范围宽（4000系列一般为＋3V～＋18V）

微功耗（低于1μW）

速度快（传输信号频率高达几十兆赫） 抗干扰能力强

无触点、寿命长

关断电阻与导通电阻之比ROFF/RON＞105，是较理想的开关器件。

模拟开关的核心部件是传输门TG，其基本结构如图8-1-1所示。它属于双向模拟开关，信号既

图8-1-1 传输门的基本结构

a）结构 b）符号

可从UI端传输到UO端，又可从UO端向UI端传输。UC和UC是两个控制端，

当UC＝1（UC＝0）时模拟开关接通。P沟道MOS管与N沟道MOS管的开启电压分别为UTP

≈－3V，UTN≈＋2V。假定UDD＝10V，显然，仅当UI＝3V～8V时才能使两只MOS管同时导通， RON为最小。推而广之，选UI＝3V～(UDD－2V)为宜。若UI＜3V，就只有N沟道管导通，RON值会增大，但仍能传输毫伏级的弱信号。RON值还与电源电压UDD有关。

2. CD4066型四路双向模拟开关的原理

CD4066内部包含4个独立的双向模拟开关，其逻辑图和引脚排列如图8-1-2所示。

为改善传输门的开关特性，每个模拟开关（SW）由开关电路和控制电路这两部分组成。当UC＝1时，TG1、TG2导通，NMOS管截止；UC＝0时，TG1、TG2截止，NMOS管导通。利用NMOS管的截止特性可改善传输信号的线性，利用其导通特性能增大ROFF值。

使用模拟开关时需要注意，它属于电压控制型器件，被传输信号也应是电压信号。

若采用单电源工作，被传输的又是交流信号，则应在SW的输入端加分压式偏置电阻，将输入端偏置在UDD /2上。隔直电容的容量与输入信号频率fi有关。电路如图8-1-3所示，要求UI不得超过电源电压范围。

图8-1-3 传输交流信号的电路

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3. CD4051型八选一模拟开关的原理 CD4051的原理如图8-1-4所示。I/O0～I/O7分别为八路模拟开关的输入／输出端，做多路传输时为输入端，作信号分离时为输出端。O/I为公共端，传输信号时为输出端，分离信号时变成输入端，INH为禁止端，INH＝1时模拟开关均断开，输出呈高阻态。

A、B、C是二进制地址码输入端，当INH＝0时根据地址码选中相应的通道。例如当C＝0，B＝1，A＝1时，地址码为011（所对应的十进制数为3），就接通第3路。UEE为负电源端，一般接USS端，在传输交流信号时应接负电源。

二、多路模拟开关的应用技巧

CMOS模拟开关有两种基本用法：

①当信号从多路模拟开关的公共端输出时，可作为多路信号传输器，实现从多线到1线的传输功能；

②当信号从多路模拟开关的公共端输入时，又变成信号分离器，实现从1线到多线的传输功能。应用实例：

1. 巡回检测传输电路

电路如图8-1-5所示。设输入信号共分8路：UI1～UI8，需用两片CD4066。控制信号由CD4017节拍发生器供给。CD4017的拍脉冲共有10拍（Y0～Y9），现将第9拍的输出端Y8接复位端R，故产生的时序脉冲以8拍（Y0～Y7）为一循环。在第一拍，Y0＝1，使SW1导通，UI1经SW1传输到UO端。在第二拍，Y1＝1，使SW2导通，UI2经SW2传至UO端，依次类推。当第8拍结束时，重新转入第一拍，如此循环往复。CD4017所需时钟脉冲，由两级反相式阻容振荡器产生。

2. 示波器的多踪显示

利用模拟开关还可以把单踪示波器改装成多踪示波器，同时观察2～4路的信号波形。在不改动示波器内部电路的情况下，提高了示波器的性价比。图8-1-6示出了四踪示波器的电路。RP1～RP4为信号衰减电位器，可分别对输入信号进行调节，使四路信号的幅度大致相等。SW1～SW4的作用同图8-1-5，现改由四节拍发生器依次控制其通断。C1～C4是隔直电容。显然，若直接在荧光屏上显示四路波形，势必造成波形重叠，以至于无法辨认。为此特设置了电平转换电路。预先使四路信号具有不同的直流电位，才能使屏幕上的四种波形上下位置错开。分别调节PR5～RP8，可获得不同的直流电压U1～U4，依次经SW5～SW8与四路信号进行叠加。例如，在第1拍时间内，SW1和SW5同时导通，在第一路信号电压上就叠加了U1，使其波形出现在荧光屏某一确定位置上，显见，RP5～RP8就相当于示波器的垂直移位旋钮。信号公共端A经运算放大器F007接示波器的输入插孔Y，示波器输入选择应为DC。只要时钟频率足够高，多踪显示时就观察不到波形闪烁现象。

3. 数字多用表基本量程的切换

由MC14433构成的3?位自动量程数字多用表，可利用CD4066型模拟开关来切换基准电压，以改变仪表的基本量程，电路如图8-1-7所示。当UC1＝1时，UREF1＝2.000V，基本

图8-1-7 利用模拟开关切换基准电压 量程UM＝2V。若UC2＝1，则UREF2＝200.0mV，UM＝200mV。RP1、RP2分别为UREF2、UREF1的校准电位器。MC1403为2.5V基准电压源。上述量程切换与量程选择保持同步，并且在改变基准电压的同时还相应改变了积分电阻值与小数点的位置。

4. 用时分法传输多路信号

在电信、遥测技术中，利用一根传输线可同时传输多路信号，例如一步电话机外线供几个用户同时使用。所谓时间分割法（简称时分法），就是利用模拟开关分时采样，图8-1-8中假定有3路信号

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图8-1-8 多路信号的时分采样传输

UA～UC需要同时传输，就在t1、t4? 时间内传输信号UA，在t2、t5?时间内传输信号UB，而在t3、t6?时间内传输信号UC。只要采样速率足够高（一般应大于信号频率的10倍），并且接收装置与之保持同步，就能将被传输信号的波形还原出来。一种实用电路如图8-1-9所示。为能还原出UA～UC信

图8-1-9 用时分法传输多路信号的电路

号，必须加同步信号。为此，在CD4017Ⅰ的第1拍（Y0）时间内传输高电平UDD，作为接收装置的同步信号。只要UA～UC的幅度小于UDD，在接收端利用幅度分离器（电压比较器）即可取出同步信号UT，其频率fT＝f0/4。fT再经过锁相环4倍频器还原成f0，作为CD4017Ⅱ的时钟频率，使接收装置与发送装置严格保持同步。

第三节 单片数据采集系统

一、单片数据采集系统

单片系统的英文缩写为SOC（System On Chip），又被译为“系统级芯片”或“系统芯片”，是21世纪初刚刚问世的一项尖端技术产品。它在一个芯片中就集成了一个可灵活应用的系统，使IC从传统意义上的“集成电路”发展成为全新概念的“集成系统”。2001年，美国ADI公司在世界上率先推出了ADuC812、ADuC816、ADuC824等型号的高精度单片系统，2003年又推出了ADuC834。目前，国外最著名的芯片厂家都在竞相开发单片系统。美国TI公司继2001年研制成功MSC1201Y2、MSC1201Y3、MSC1201Y4、MSC1201Y5型噪声极低的多通道单片系统之后，2003年又推出CY8C26×××系列可编程单片系统（PSOC）。加拿大高乐（GOAL）公司最近也开发出VERSA1、VMX1020、VRS1000系列单片系统。

上述产品的一个共同特点是都以微控制器作为内核，因此这类芯片亦被注册成“微转换器”（MiroConverter?）。

二、语音处理技术

语音处理主要包括语音合成、语音识别两大类。

语音合成是用各种合成信号来模拟人类的语音，主要应用于计算机语音输出、数字化仪表的测量

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值语音报数等领域。

语音识别则是让机器按照人的语音指令来执行相应的动作，这在机器人控制、无线遥控装置及保安系统中非常有用。

语音处理方式大致有三种：波形数字化方式、分析合成方式、规则合成方式。

1. 波形数字化方式

该方式是利用编码技术，对语音波形进行数字化处理（包括采样、分层、量化，变成二进制数码），然后存入存储器中。当需要读出语音时，再利用D/A转换器还原成原来的语音。

2. 分析合成法

分析合成亦称参数合成。其特点是不对语音波形进行量化处理，而是对波形进行频谱分析，从中找出语音特征参数（振幅、频率、频谱分布、音色信息等）并加以存储。其优点是所需存储的信息量大为减少，存储器利用率高，不足之处是合成后的音质稍差。

对于语音识别器，还要先存储一个标准模式（相当于字典），而把特征参数作为未知模式，借助微处理器将二者进行比较（相当于查字典）。仅当两种模式相符合时，才输出识别结果。所谓建立标准模式的过程，就是先让计算机对所要识别的语音进行学习和记忆。 3. 规则合成方式

先把各种音素存储起来，发声时再按一定规则提取这些音素，最后合成出所需语音，这与活字印刷术很相似。其优点是能构成无限多个词汇，缺点是自然度及音质稍差。

思考题：

1. 使用模拟开关应注意什么问题？

2. 什么是单片系统？举例说明单片系统的特点。

3. 语音处理主要包括哪两大类？语音处理方式大致有几种？

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