《LabVIEW 程序設計教程》課件第8章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計基礎

第8章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計基礎8.1NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成8.2信號類型8.3數(shù)據(jù)采集設備與指標8.4模擬測試信號的連接8.5數(shù)字信號連接8.6數(shù)據(jù)采集卡PCI-62218.1NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由傳感器、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集設備和計算機四個部分組成，如圖所示?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集應用所使用的軟件主要分為三類：（1）驅(qū)動軟件；（2）NI-MAX；（3）應用軟件。8.2信號類型8.2.1數(shù)字信號8.2.2模擬信號8.2信號類型

任意一個信號，都可以簡單地概括為一個隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所蘊含的信息是很廣泛的，如狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率等。根據(jù)不同類型的信號按照不同的方式傳遞信息，可以將信號分為數(shù)字信號和模擬信號，如圖所示。8.2.1數(shù)字信號1、開關信號

開關信號（例如，晶體管-晶體管邏輯（TTL）兼容信號）只有兩個離散電平：高電平（開）和低電平（關）。TTL信號就是一個開關信號，TTL兼容信號具有下列特性，如圖。

0V至0.8V之間定義為邏輯低

2V至5V之間定義為邏輯高

最大上升/下降時間=50ns2．脈沖序列信號脈沖序列信號包含一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個轉(zhuǎn)換間隔或多個轉(zhuǎn)換間隔的時間里。如，安裝在馬達軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖序列信號。實際應用中，有時裝置需要數(shù)字輸入，比如一個步進馬達就需要一系列的數(shù)字脈沖信號輸入來控制位置和速率。8.2.2模擬信號1．模擬直流信號

模擬直流信號可以是靜止的信號或者是變化非常緩慢的模擬信號。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)蘊涵的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。2．模擬時域信號

模擬時域信號所蘊涵的信息不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化。在測量一個時域信號時，也可以說在測量一個波形時，需要關心一些有關波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。3．模擬頻域信號模擬頻域信號與模擬時域信號類似，但是，從頻域信號中提取的信息是基于信號頻域內(nèi)容的，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性。8.3數(shù)據(jù)采集設備與指標8.3.1數(shù)據(jù)采集設備8.3.2數(shù)據(jù)采集設備主要性能指標8.3數(shù)據(jù)采集設備與指標8.3.1數(shù)據(jù)采集設備

常用的虛擬儀器硬件的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1．插卡型數(shù)據(jù)采集設備2．并行口式數(shù)據(jù)采集設備3．GPIB總線方式數(shù)據(jù)采集設備4．VXI總線方式數(shù)據(jù)采集設備5．PXI總線方式數(shù)據(jù)采集設備在選擇或使用數(shù)據(jù)采集設備時需要考慮通道數(shù)、采樣率、分辨率、輸入電壓范圍、精度、穩(wěn)定時間等技術指標。1．通道數(shù)各種型號的數(shù)據(jù)采集設備的模擬量輸入/輸出通道數(shù)和數(shù)字量輸入/輸出通道數(shù)各不相同，在選用采集卡時可根據(jù)實際應用的需求查閱相關公司的產(chǎn)品手冊或咨詢相關技術銷售人員，選擇通道數(shù)足夠價位適中的產(chǎn)品。2．采樣率又稱為系統(tǒng)通過速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。8.3.2數(shù)據(jù)采集設備主要性能指標3．分辨率分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位值(LSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示，有時也用滿度信號可以分的級數(shù)來表示。表8-1給出了滿度值為10V時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。4．輸入電壓范圍輸入電壓范圍是指數(shù)據(jù)采集卡能正確檢測輸入電壓的范圍，也是該范圍下的滿程輸入電壓。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡上帶有程控放大電路，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓有很多檔。就像萬用表一樣，具有不同的測量量程。只不過一般數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍是可以用計算機軟件控制的，而普通萬用表的量程要用手動開關來實現(xiàn)。5．精度精度是指數(shù)據(jù)采集卡在滿量程范圍內(nèi)任意一點的輸出值相對于其理想值之間的偏離程度。數(shù)據(jù)采集卡的精度受卡上放大倍數(shù)的影響比較大，一般廠商給出的數(shù)據(jù)采集卡的精度指標都很高，12位A\D采集卡的精度在滿程輸入電壓（FSR）的0.01%+1LSB，但在實際檢測過程中，受到很多因素，特別是外部電磁干擾信號，電源干擾和傳感器噪聲等影響因素的限制，檢測的精度往往達不到這樣的水平。因此在考慮精度是否符合要求時，應考慮采集卡使用的環(huán)境等的影響。6．穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間是指放大器、繼電器、或其它電路達到工作穩(wěn)定模式所需要的時間。穩(wěn)定時間通常由電壓上的滿量程變化來規(guī)定。8.4模擬測試信號的連接8.4.1信號的連接8.4.2信號的測量系統(tǒng)類型8.4.3模擬輸入連接8.4.4模擬輸出信號連接在實際測試過程中，根據(jù)信號接入具體數(shù)據(jù)采集設備的參考點的不同，可將信號的連接分為接地連接和浮動連接兩種，如圖8-5所示。8.4.1信號的連接8.4.2信號的測量系統(tǒng)類型對于大多數(shù)模擬輸入設備而言，根據(jù)信號連接方式的不同，信號的測量系統(tǒng)可分為：差分測量系統(tǒng)、單端測量系統(tǒng)和偽差分測量系統(tǒng)。1．差分測量系統(tǒng)在差分測量系統(tǒng)中，信號的正、負極分別接入兩個不同的輸入通道，所有的輸入信號均有各自的參考點。2．單端測量系統(tǒng)

盡管差分測量系統(tǒng)是一種比較理想的選擇，但是單端測量系統(tǒng)卻可以使用兩倍的測量通道。單端測量系統(tǒng)分為參考單端測量系統(tǒng)（ReferencedSingle-Ended，RSE）和非參考單端測量系統(tǒng)（Non-ReferencedSingle-Ended，NRSE）。在單端測量系統(tǒng)中，所有的信號都參考一個公共參考點（即儀器放大器的負極）。

（3）偽差分測量系統(tǒng)偽差分測量系統(tǒng)具有差分輸入通道和參考單端（RSE）輸入通道的某些特點。與差分輸入通道類似，偽差分測量系統(tǒng)的通道包含正極和負極。正極和負極分別連接至待測單元的輸出。負極輸入通過相對較小的阻抗（如圖8-9中為Z1）與系統(tǒng)接地相連，負極輸入和接地間的阻抗包含阻性和容性組件。輸入通道的正極和負極之間存在較大的阻抗（Z輸入）。8.4.3模擬輸入連接8.4.4模擬輸出信號連接不同的設備、接線盒或信號調(diào)理模塊使用不同的連線方式。NI設備通常的模擬輸出信號連接如圖8-10所示，需要將輸出正端接AOx，負端接AOGND。8.5數(shù)字信號連接不同的設備包含不同數(shù)量的數(shù)字線。圖8-11所示為三種常見DIO應用的信號連接。P0<0..3>用于數(shù)字輸入，P0<4..7>用于數(shù)字輸出。針對系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)采集應用項目，NI提供了三大平臺：PXI、CompactDAQ、以及CompactRIO平臺。除此以外，NI還提供基于其它標準總線接口的數(shù)據(jù)采集模塊，比如PCI數(shù)據(jù)采集卡，它直接插入計算機的PCI插槽使用?；赪i-Fi的無線傳輸數(shù)據(jù)采集模塊等等?？梢造`活地滿足不同的數(shù)據(jù)采集應用的需求。8.6數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221在選定了系統(tǒng)平臺和傳輸總線的基礎上，進行數(shù)據(jù)采集卡選型時需要重點考慮如下幾個參數(shù)。（1）通道數(shù)目，能否滿足應用需要；（2）待測信號的幅度是否在數(shù)據(jù)采集板卡的信號幅度范圍以內(nèi)；（3）采樣率和分辨率也是非常重要的兩個參數(shù)。采樣率決定了數(shù)據(jù)采集卡的ADC每秒鐘進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。采樣率越高，給定時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)越多，就能越好地反應原始信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，要在頻域還原信號，采樣率至少是信號最高頻率的2倍；而要在時域還原信號，則采樣率至少應該是信號最高頻率的5~10倍。思考題8-1若采樣一個在80~120mV之間變化的信號，數(shù)據(jù)采集卡的量程可以設為0~10V、±10V和±5V。如果采集的分辨率為12位，則應如何選擇量程以獲取最大測量精度？8-2根據(jù)信號連接方式的不同，信號的測量系統(tǒng)可分哪幾種，有何區(qū)別？