1、第l6章LabVl EW 實現數據采集LabVl EW i萬言的研發公司一美國國家使器有限公司 ( Nl ) 是以信號測量在行業內聞名的 。 LabVIEW 作為 Nl公司的圖形化語言, 在數據采集方面具有其他計算機i再言不可比組的優點。 本章介紹 的是利用 LabVl EW 語言進行數據采集的方法和一些技巧。16. 1 數據采集的基本概念這一節介紹的是數據采集的基本概念。 只有草握了這些基本概念, 才能更好地在工程中進行數據采集。如圖16-1所示,數據采集系統一般由傳感器、信號調理器、數據采集卡、計算機和測量采集軟件組成。其中測量采集軟件又可以分為軟件信號調理、分析及控制、數據存儲和交互界面

2、這4部分。月戶田16-1 數據采集系統基本柏成示意圖16.1.1 信號如圈16-2所示, 工程應用中的常見信號分為模i;lii信號和數字信號兩類。_g面一田 16-2 工程應用中的常見信號520 P·醫 第l6章 LabVIEW要現細lE,采集模組信號是指幅度和相位都連續的電信號a 該信號可以被模組電路用于進行各種運算, 如放大、相加、相來等。該信號的幅度、頻率或相位會隨時間連續変化,如電合廣播的聲音信號或國像信號等。 真實世界中只存在模組信號, 因為任何時間點部會有數値, 不管這個數值是多少它總是存在的。數字信號幅度的取值是高散的, 幅值表示被限制在有限數値之內 。 二進制

3、3;碼就是一種數字信號。 二進制;碼受噪聲的影響小, 易于由數字電路進行處理, 所以得到了廣,ii的應用。16,1.2 傳感器國際電工委員會( IEC, l·ntemaljonal Eleotroteohnioal Committee)對傳感器的定又是:“傳感器是測量系統中的一種前置部件, 它)l等輸入變量轉換成可供測量的信號·。 如表16-1 所示, 這里列出了通過傳感器測量的常見物理量 。表16-1 常見傳感器測量的物理量分美規量的物理量機械長度、厚度、液位、位jE多、速度、加速度、旋韓角度、扭力、轉速、質量、壓力、真空度、動量、流速、風速、流量、振動電氣電壓、電流、功

4、率、陽抗、電審、電感、電磁波、電荷溫度 音口向 頻率頻車、 周期;鹿性 濕度、水分化學 在工程應用中, 選擇正確的傳感器是數據采集和測量過程中最為關體的一步。 如果傳感器造擇失誤, 即使有再好的信號處理方法和數據采集設備, 所得到的采集結果也不會令人満意。 如何評價傳感器性能呢'?如表16-2所示,這里展示的是傳感器主要性能指標。選擇傳感器時要依照表1 6-2與傳感器供應商逐項按實與比較, 這樣才能進擇到合適的傳感器。 常見傳感器如囲 16-3所示。表16-2 傳感器主要性能指標項目指標描述基 量程測量范圍的上限(最高)和下限(最i氏 )值2差過載能力 本 數一般用先許測量上限 (或下

5、限) 的被迎l量值與量程的百分比表示 長敏度、分辨力、競,量程輸出 頻率特性頻率響應范國、幅/相頻特性、臨界頻率 上升時間、 P向.1iii時l司,、過沖量、臨界速度、穩定漫差 境 參 數溫度工作溫度范圍、溫度i吳差、溫度)環移、溫度系數、熱滯后振動、)中一ilift-許各方向抗沖擊的頻車、振幅、加速度、)中擊振動先許引A的i吳差 其他 ' 521LahvlEw寶典 (續表 i項目指iliiii描述 他 工作壽命、平均無故障時間、保險期、 癌勞性能、絕緣電阻、耐壓 使用條件外形尺、!iii量、備件、売體材料、結拍特點、安裝方式、 囁線電纜、出日期、校準期、校準周期 圖16-3 常見傳感

6、器16.1.3 信號處理傳感器輸出的信號中,有的是包含有用信息的信號,有的是應當除掉的噪音。所請 ''信號處理" , 就是要對記景在某種媒介上的信號進行處理, 以便抽取出有用信息。 它是対信號進行提取、1變換、分析、綜合等處理過程的統稱。信號處理有這些目的: 削弱信號中的多余內容, 濾出溫雜的噪聲和干擾: 將信號變換成容易處理、傳輸、分析與i只別的形式,以便后續的其他處理。人們最早處理的信號是模組信號, 所使用的 處理方法也是模tLii信號處理方法 。 隨著計算機的飛速發展, 信號處理的理論和方法也得以發展。 例如, 現在出現了不受物理制的的純數學的加工方法(即算法)

7、,并確立了信號·處理的領域。現在處理信號,通常是先把模組信號變成數字信號, 然后利用高效的數字信號處理器( DSP, Digital Signal Processor i或計算機對其進行數字信號處理。 國此, 信號處理可分為模組信號處理和數字信號處理兩部分。一般信號調理器具有放大、京減、濾波、隔高等功能。常見信號調理功能的祥細說明如表1 6-3 所示。表16-3 常見信號調理模裝的功能調理器說明傳感器傳出的信號, 可能會因電平過低而號裁無法分辨, 可能會在傳輸過程中被大噪聲千 就而無法識別。 美似的信號過小的問題, 其解決方法就是將有用信號放大 。放大需要注意,信號放大最好在接近傳感

8、器端處理,不要在信號傳産一段距高后執行。在傳輸過程中原始信號可能被較大噪聲信號千 擾 , 干就后的信號再進行放大時也會將噪聲一同放大 。 這樣就無 法有效地li年低l噪 聲干;t1t了 522 l' ,· 第l6章 LabVIEW實現散據采集(裝表)調理器 如果原始信號電平大于采集設備檢測的最大值, 就必額將信號的電平降低, i全i就是 一般采集卡模組量輸A范用為一1 0V+1 0。如果信號電平超過了此范圍, 就必組先將信號;范用縮減到可,測 范'圍 。 工程上的簡易做法是在信號電路 串接一,個il差L定的分壓電阻,通過分壓的方式格電壓降低。 在精密測量的;場合, 則

9、還是要使用專用的信號衰減調理 如果在測量信號中既要對干擾進行抑制或一最減, 又同時想保留有用信號, 則可以、進用對特定頻率信號具有速擇性的電路達到以上的目的原始信號通常通過半導體器件進行調制變換, 再通過光感或確感器件進行隔高韓換,館后進行解調變換回隔高前的原始信號, 并同時對隔高后信號的供電電源進行隔高處 理。 隔離功能就是用來保證変換后的信號、 電源、 地之l間是絕對獨立的。 制公共接地、 變頻器、 電磁岡及不明除沖對i量備的干·l1尤 : 保護人員設備的安全 用于對一些特珠的傳感器,比如應空計、 RTD i熱膽溫度探頭 )等,進行外部電壓或電流-識 動 信號通常情況下, 傳感器

10、的實際靜態特性輸出是一條曲線而非直線。 在實降示工作中, 常 與模tlii信號相同, 某些數字信號也必;員經過調理.;才能進人DAOt。數字信號調理例如, 工業中經常使用的數字輸用出電壓為24V。 這種電圧在普通的)Aa卡上是無法直接使用的, 所以在進入)A0卡之前必須經過処理 表 1 6-4總結了在使用傳感器或者讀取由傳感器轉化后的信號時一般要做的調理操作。表1,6-4 常見傳感器信號及對應調理操作傳感:器/信號調理操作 RTD 存在共模電壓或采集電壓高隔高放大器控制AC電:源或大電流 含有高頻噪聲信號 如圖16-4、國16-5和國16-6所示,市面常見的信號調理器有研準(Advantech

11、)信號調理模塊、德國強德米勒 i Weidmuller)信號調理模,塊和 Nl公司的信號調理橫塊等。研華和德國魏德米勒信號調理模塊一般以導戰安裝的方式普遍應用于工業那境中的機架安裝,而 Nl 公司的信號調理損塊 大部分是以調理箱的方式出現的 。囲16-4 研華lAdvantechi信號調理模壊 國1,6i-5 相國識德米勒 i Weidmuller)信號調理模塊電' l 523一生·-:;i,abvlEw寶典 ,圖16-6 N公司的信號調理模:tl16,2 數據采集卡直接使用計算機并不能讀取外界的模1以信號和數字信號, 必須使用計算機基本配置以外的其他開件。可行方式之一是使用

12、數據采集卡( )ataAocluisition Card),當數據采集卡插入計算機后, 該計算機就具有讀取模組信號和數字信號的功能了 。 本節將詳細講解數據采集卡的規格和分類, 并一一說明在選購采集卡時需要注意的地方。16.2. 1 數據采集卡的定義及分類數據采集f是計算機與外部的接口, 它的主要作用是將外部的模組信號轉化為計算機能夠處理的數字信號。采集卡可以技照不同的標準分為不同的種類,如表16-5所不。各種果集卡外觀如圖16-7所示。表16-5果集卡分類分業標準具體分裝信號類型模擔量輸入/輸出,數字量輸輸出,定時/計數采樣速度高速,低速隔高方式不隔高,組隔高,通道間隔高,通道一接地隔離PC

13、l, PCIE)(press, Compa,ctPCl, PCMCIA, PXl, PXIExpress, USB,無 線,以太i司, 火線(1394) , ISA, Coml:)aotFi8ldl='0il'lt, CompaotDAa,CompaotFlash, CompactRl, SCC, SextD韓換器與通道數量同步采集卡,多路復用果集卡 國16-7 各式各樣的采集卡外觀524 l' » 第l6章 LabVIEW實現難據采集1 6.2.2 多功能數據采集卡原理圖研華公司 PCl-1710多功能采集卡的原理圖,如圖16-8所示。通過原理圖可知一般多功

14、能數據采集卡包含如下部分: PCl總線及通信控制器、板卡內部數據總線、lRa控制器、板載 FIF0、板卡基振時鐘、計數器、 A/D與 D出轉換器、多路轉換器、可編程増益放大器等。配I-17l0囲16-8,研準公司PC1-1710采集卡原理國1 6_23 數據采集的關鍵參數和概念將外界信號通過采集卡轉化為計算機中的數據是,個復雜的過程, 在這個過程中要面對許多電氣、 軟件基本概念, 以及一些定律, 本節將對這些參數和概念進行1J三l納。 對數據采集中模組量輸入的關鍵參數的詳t田解器,如表16-6所示。表16-6Jl期1l量輸人的名詞解釋 備注用于設置采集模組量時的路數 。.另外, 要注意所需輸入

15、單端信號輸人個數:=采通道數信號是差分信號述是単端信號,因為每一路差分信號要占集卡通道數,差分信號輸入用采集卡兩個采集通道個數=采集卡通道射2単端輸入単端輸入時, 輸入信號均以共同的地線為基準, 所測量值即檢測信號與,GN D的電壓差值. 525i裝表)LabVl,EW, · 法·概念解.釋各注差分輸入時信號兩端均淳地, 所采集的是兩個信號線的一般采集卡均支持單端 電壓 差 。 信號受干就時, 差分輸入的兩線會同時受影li向,和差分商種信號輸入方式但是兩線之間的電壓差變化不大, 即抗共模干擾性較好単極信號該信號電平均大于0V典型值為0-10V雙扱性信號該信號電平可以為正員兩

16、種強性,屬于雙扱性輸,入,典型值為一5一+5V 較高的輸入阻抗可以保證干:tt電流不會影響流入的信一般輸人阻抗大于1 0r,na號, 從而大大提高數據精確度可編程增益放大器( Pr,ogramrn,abte-(;,ain Ampli,fier)是指其增益通過獨立的輸人(通常是數字量)進行輪程控果集卡在設置輸入i'直 國P(iA (可編程制的芯片。例如, 12位ADC接Ll女小于A/l:)韓換器満量程輸 增益放大器)人十分之一的信號, 僅可提偽位分辨章,除非在信號到的P(iA的放大倍數iiiA/D轉換器;i''前用 PaA放大它 。 P部先許在軟件控制下使接 收信號的增益

17、達到寬范圍采樣/保持該參數用于將輸入的連續標準模組信號,変換成時間上萬散的采樣信號用于在經過了采樣/保持后,將幅值在采樣時,i內仍然 是連續的模組信號特換成數字信號,并將采樣信號的幅值用二進制代碼來表示FIF0的大小關系到板卡FIF0(先進先經田D韓換后,數字信號首先會者存于采集'li!i卡上的最高采樣率和計算機總線 FIF0。 FIF01l果證7數據的完整性, 有效減小了在完成了時i間, 一般由板卡生產商計 算好,工程lJili 只要知道FIF0 采樣速率用于i量l置単位時問內數據采集一ii-對模組信號的采集次采持速率一般以Hz為l數,是數據采集卡的重要技術指標 l 多路復用是使用単

18、個測量設備來測量多個信號的常用一般采集卡都是多路復多路復用l 技術。 常對溫度這祥緩慢空化的信號使用多路復用方式。用形式。例如,采集卡的采ADC采集一個通道后, 轉換到另一個通道,并進行采集, 然集頻率為100kHz,如果采后再轉換到下一·'、通道, 如此往復集10個通道的數據,則每個通這最快采樣率只有1 OkHz分辨率是指0轉換器,所能分辨的模組輸入信號的最小變化量。 M轉換器的位數為fl,満量程電圧為lF=SR,則A/l:)特換器的分辦率定又為,一般常 見 的采集卡A/D, 分辨率=1LSB= 型 轉換器位致為1 2、 1 6、1 8,和24位式中1LSB即量化単位。從公

19、式中可以看出, A/0轉換器分差1i率的高低取決于位數的多少 精度與分辨率參數客易精度特換器差距的重要指標之一 ,分為絕對精度和相對精置商混活,后面將在'精度與分種 。 通常以漫差的形式來給出精度辨率報念' 中給予區分 為了安全, 把傳感器的信號和計算機相隔高。被監迎lf的隔高系統可能產生瞬態的高壓, 如果不使用信號調理,這種高壓會對計算機造成l員害526 l' l' 多·4第l6章 LabVIEW實理開采集下面進一步介紹各個模組量輸入的概念。1.差分情號與単端情號差分信號與単端信號比較, 有以下不同之處: 差分信號抗干1liit能力強, 因為兩根差分

20、走線之間的相合很好, 當外界存在噪聲干1lilt時,幾乎是同時被報合至lu 兩條線上, 而接收端關心的只是兩信號的差值, 所以外界的共模噪聲可以被完全抵消 。差分信號能有效抑制 EMl,同樣的道理,由于兩根信號的扱性相反,它們對外輻射的電磁場可以相互抵消, 箱合得越緊密, 泄放到外界的電確能量越少。 差分信號時序定位精確, 由于差分信號的開美變化位于西個信號的交點, 而不像普通単端信號依靠高低兩個聞値電壓判斷, 因而受工藝和溫度的影向小, 能降低時序上的i異差,同時也更適于低幅度信號的電路。2.精度與分常率如圖16-9所示,高分辨率與低分辨率的區別如同''搶手''

21、;射擊的配那一樣,高分辨率的“推手''可以輕易區分出10環和9環,而低分辨的 ''柏手"無法區分10那和9環,將其看為一個那。 精確度與分辨率概念區別是,高精確度的“搶手"可以一槍命中10 那記心,而低精確度的··槍手·卻''跑偏了 射到別的那上。ia)分辨率 (b1精確度國16-9 分辨率與精確度分辦率是,A/) 轉換器的轉換精度(量化精度),并不代表轉換后所得結果相対于實際値的準確度。同樣的 N位分辦率的不同品牌數據采集卡, 其精度是不同的。速就是精度和分辨率概念的不同所在a例如, 一塊 12

22、位A/D 轉換器的數據采集卡,它的最佳分辨率就是1/(2'i-1/4096。也就是說,當輸入電壓范國為士10V (即Vpp=20V)時,它能分辦的最小電圧就是20V/4096_4.88rnV。 理論上,分辨率超高,分割信號的點就越密,從而還原出來的信號也就越真實、越平滑。精確度指的是指測量值和 ''真實" 值之間的最大偏差的絕對値 。 在特測信號進入A/D轉換器之前,還必須經過數據采集板卡上的多路轉換器 i 、/lUX)、可編清增益放大器( P(iA)等其他的器件。 在這個過程中都可能引人隨機噪聲, 并且隨若時l間和溫度變化參考源發生的漂移, 以及増益前后引入

23、的非線性誤差等, 都會対測量結果產生的影口向 。 相對于分辨率, 工程!fii更關心采集卡的精確度 。如國16-10所示, 在描述同樣的 0-10V電壓正強信號時, 16位的板卡與3位的板卡對波形的描繪大相徑庭。16位的板卡可以通過65536個階次軽易地描繪出正弦波形,而3位的板卡卻將光滑正弦波描繪成類正弦的8階 ''臺階'''。 ' 5271ll'.0lla.iti.iOt25:5·ll 3.7田tt(v):2.lll通0alLabVIE ll'0國16-10a時問(mS) 1ll1 1動16位與3位分辨率的比較( 5

24、 kHz正強強)在不同的測量范國下12位分辨率與16位分辨率的區別, 如表16-7所示。表i6-7 測量范圍與分辦率 12位分辨率16位分辨率士0.05 V24.4 µV1 .5 µV土1V488µV30,5 µV士10V4880µV'305luLV 3,各種蘭高通道與地隔高、通道與通道隔高、數據層隔高(通道與總線)是常見的幾種隔高方式,下面分別對它們進行介絡。( 1 )通道與地隔高 電·氣通道與大地隔高是一種最基本的隔高類型, 是包含在數據層隔高之中的。 這種隔離建立在1又器電氣采樣通道與大地之間。在圖16-1 1中, Ve

25、與 V之間, V,。與 Vd,之間, 以及 V,與 Vd之間都是這種隔高。國16-11 電氣通道與大地隔高/調lE層隔高(通道與總線 )示意國( 2 )數i居層隔高(通道與總線)數據層隔高指的是不同類型采樣通道的參考地之間, 以及參考地與大地之間的隔高 。 在囲16-11中,數據層隔高表現為 V與 Ve之間, Vb與Ve之間,以及V0與 V之間的電氣隔高0528 拳, 第l6章 LabVIEW實現數據果集i3 i通道與通道lii的隔高使器的毎個獨立采樣通道之間以及它們與其他的非隔萬部分.:1ir間部存在隔高 。 在圖1 6-12中, 通道與通道間隔高表現為 Vb與 Vd之間, Va/Vb與 V

26、e/Vf之l間,以及 Vc/Vd與 Ve/Vl之間的電氣隔高。囲16-12 通道與通道隔高示意囲如表16-8,所示, 這里列出了模組量輸出的相關概念。這些是將計算機數字信號轉化為外界所認iR '' 的模組量的過程中所器要了解的相關概念。 。表16-8 模組量輸出的相關編念 D/A轉 換用于將計算機中的二進制代碼特換為相應的模組電壓信號, 與A/D結換相li.。D/A分辦率與輸人分辦率類似, 它是產生模擔輸出的數宇量的位數a 較大的D/A分辨D/A分辦率率可以編小輸出電壓增量的量値, 國此可以產生更平滑的 変化信號。 對于要求動態范 指相當于數字量標稱值2n的模1以輸出量穩定時間

27、指造到期.定精度時需要的時間 。 穩定時l司一般是由電壓的滿量程變化時l間來判定的轉換速率D/A轉換器所產生的輸出信號的最大變化速率 數字量輸入的相關概念如表 1 6-9所示 。這些都是將計算機外部要采集的開關量信號轉換為計算機所 ''一認iR · 的數據所'需要了解的相關概念。表16-9 數字量輸人的相關概念 告注用于設置輸出電平 。 例如, 一般室溫下的輸出高電平是35V , 輸出1配TTL電平TTL輸入電平是0.2V。 最小的輸入高電平和i圧 電平: 輸入高電平 ) 2.0V, 輸入低傳輸信號不電平s0.8V, 噪聲容限是0,4V宜超過1 0米C MOS

28、輸人;理輯電平電壓接近于電源電圧, 0選輯電平接:近于0V, 而且具有很寬的噪聲容照漏端和源端分別表示所用到的數字輸入和輸出的類型。 ·漏端的數字 l/提供一個地, 而源端的數字l/提供一個電壓源。 以一個由數字輸入 l與數字輸出相達而成的 問単電路為 領j . 該 電路由電壓源、地和負載組成。:源端數字l/0為該 電路提供所需電壓, 漏瑞數字l/0提供所商的接地, 數字輸入提供這個電路工作所需的負載 。i l 529Labv,Ew寶典 t 續表) 告注圖16-1 3 i a) 圖是遍端的數字輸出與源端的數字輸入的連接圖。 在電路中, 源端的數字輸人提供電源電壓和負載, 漏端的數字輸

29、出通過一個三報管控制該數字線接高(+V)或接地 f OVi 。晶體管輸入的囲16- 13 ( b i國是源端的數字輸出與漏端的數字輸入的達接國。這 個電路中, 源端的數字輸出提供電源電壓, 而漏端的數字輸入提供負載和接地。 數字輸出通過三扱管控制數宇線保持在0V或升高至+V。由 手約成一個完整的電路既需要電圧源又需要地, 國此, 源端輸人必 要將同樣是源端或漏端的輸入和輸出相進, 就需要增加額外的電阻漏瑞(Sinking和源端 i Sourcirlg)電路圖,如圖16-13所示。漏型通輯:當信號輸入端子流出電流時,信號:變為 0N,為漏型遭輯。源型運輯,當信號輸入端子流入電流時,信號變為 0N

30、, 為源型運輯。、場端出 Lf-義 出l , 1 通型生字輪入電比、第第最 事城 入'V構境素L字 峯 出,V報增注字地 入 l 1願型識字軸入電路圖16-13 漏端和源端電路國 數字量輸出的相關概念如表1 6-1 0所示。 這些部是將計算機內部的數據轉換為外部開關量信號所要了解的相關概念 。素16-10 數宇量輸出的相關概念 告注 電田電器可以用于驅動交流flii載, 也可以用端加上一定的電J3i , ,線田中就會流過一定的電流, 從而產生電于驅iiit1直流負載。它的適 小,同時承受瞬時過電Ei器輸出ll及合。 當線l理斷電后, 電磁的ll及力也隨之消失。 這時街鐵就會和過電流的能

31、力較強。雖在彈賽的ii作用力下通回原來的位置,使動:電由點與原來的靜觸然如此, 因為它屬于有舶點(常閉觸點) 吸合。這樣吸合、1擇放,從而達到了在電路中 的導通、 切斷的日的 一種全部由固 態 電子元件組成的新型元觸點開美器件。它利 iSolidstate用電子元件(如開關三報管、取向可控建等半導體器件的開直流負載Relays)關特性, 以達到;無觸點無火花地接通和斷開電路的目的16.2.4 數據采集卡與信號接地1 6.2.3節我們已經提到了模組量輸人中的単端和差分的概念, 這里接著介重召信號接地方式。 模1以信號接地一,般有3種方式:530 l -'iA'設各·&#

32、183;'··義,-信號觀··41有參考的單點接地。無參考的単點接地。·差分方式。如圖1 6-1 4所示, 單點接地方式中信號源端是不接地的, 采集設備的負端與大地是相連的 。一般計算機機構或者 PXl機箱的 PE(保護地)是與果集卡 Al CiND( Al接到大地的參考地)相互注接的。 如果機箱 PE不進行隔高處理, 我們就果用這種有參考地的單點接地方式。在圍16-14和圈16-15兩種接線方式中,務必使用國16-14,而不要使用圖16-15的方式。第l6章 LabVIEW實現解果集信號指-lAll、1、L)_1;,>-Al ,

33、tiNl:l =-田16-14 有參考的單點接地(信號:浮地)如圖16-15所示,如果信號源的地電平和果集卡(機描 PE)所處地電平不同,則可能因為商者電平不同使得電流在信號源與采集卡之l司 流動 。 這樣的后果, 軽則使得采集信號干擾大而得不到正確結果, 重則焼毀采集卡或者計算機。如圖16-16所示,無參考的単點接地(信號浮地)中,信號源與果集設備均不與信號地相連接。不推持使用信ii湖 0地設番l_-_-1 情-號頼前設各接地同路的'tl用.(vA-v)粧加到持測信號上.國16-15 有參考的單點接地 t信號接地)如圖16-17所示, 無參考的単點信號接地中,Al -: 圖16-16

34、 無參考的單點接地(信號薄地i信號源與信號地相連接 。 如果計算機想實現無參考的単點接地信號浮地方式,需要將計算機外接隔高變壓器(如囲16-18所示l,將整個計算機浮地。M 設各-1 )_L:,>7Al SENSEAIGNl) 國16-17 元參者的單點接地(信號接地1囲16-18, 隔高變壓:器將采集卡i最置為:差分方式后, 差分方式的外部接線方法業似于無參考単接點式的接法, 如圖16-19和團16-20 所示a綜上所述, 不同的接地方式有不同的優缺點, 依照各自的特點在工程上可以根據實際情況造行取舍。表16-11列出了不同接人方式的優缺點。 'l 5a1情li報DM設語備ii

35、抑Dn 設解··,ahvlEw寶典 l,Alt Al- 田16-19 差分信號接法(信號浮地) 國16-20 差分信號接法(信號接地l表16-11 不同接入方式的優缺點接線方式優點 有參考的単點接地(信號浮地)可以使用全部通道:不需要平共模抑制t;ll:低衡電阻 , 計算機端不需要隔高有參考的単點接地(信號接地) 可能l1員壞擴卡或計算機無參考的単點接地(信號浮地)可以使用全部通道計算機端需要隔高1 共模抑制比低無參考的単點接地(信號接地)可以使用全部通道計算機端需要隔高, 共模1li口制比 差分信號接法(信號浮地)共模扣制比高采集通道減多、一半,需要平術電阻差分信號接法(

36、信號接地 i l采集通道減少一半 16.3 采樣定理如表16-12所示, 這里總結各種采樣定理的概念。 只有:ilii分了解這些概念, 才能在工程中按照實際情況選擇適合的采樣頻率, 以達到還原原始信號和提高采樣精度的目的。表16-12采樣定理概金,的總結名稱解釋各注如果帯寬一定的連續信號中不含有超過其.采樣頻率一半 的頻率分量,則該采樣信號可以無失真地重建原信號,;這一頻率信號, 采樣頻華一般取原始采樣定理稱為奈畫斯特定理。如果橫組信號以高于其最高頻信號最高頻率的2.56 -4倍, 而特定律率分量兩倍的頻率上進行采樣, 當將其轉換回模擔域時, 仍為了能充分保持原始信號的形 狀, 工程上果樣頻率

37、至少為原始信號最高頻率的5-10倍 模組信號最大帶寬的西倍。 知果采樣速率不競足這一條件, 戦高的頻率成分將被··欠采樣'',并被搬移到較低的頻段(頻 也稱為 ''溫a頻率 ,因為從頻譜圖上著,高頻成分與頻帶的欠采樣部分重基在一起 它位于A/D特換器的前端, 是可消除高于奈空斯特頻率成 采樣速度:fs遠大于原始信號頻率fN時,稱W=uN為 ''過果過采樣樣比 。其中, M遠大于1。過采樣可以圧縮基帶內量化噪聲, 降低對輸入瑞模組期波器的要求等532 1· '1,0mV5mVlOmV,4-'i 第l6章

38、 LabVIEW實現數據采集采樣定理中,需要特別注意兩個問題:信號混疊,過采樣技術與提高分辦率。下面對它們進行詳細說明 。1,値號混如圖16-21所示,波形1為10Hz原始信號,而波形2是對波形1以5Hz進行采樣所得到的波形。可以看出因為采樣率不足導致高頻信號變成低頻信號,造成信號混量。注種現象也稱為 “頻譜搬移" 。強形 1原始信號般形2相番情 號圖16-21 信號混i示意國2,過采樣技術與提高分攜率(精度)如圖16-22所示, 當沒有加入擾動信號時,測量范圍為一10V-+10 V的12位模組采集卡 i最小分辨率為488mV), 采集的是幾乎為直流的8.0rnV的信號,計算得到的平

39、均值為5mV。或:際信號值=3.0mV最小分辨率本如入就卻J-平均値= 5 Tnv圖16-22 不加就動意圖如國16-23所示,當加入 0.5倍LSB的白噪聲后,測量范圍為一10V+10 V的12位模1以采集卡,采集同樣的8,0mV的信號,-計算得到的平均値為8.3mV。也就是說,競然達到了14位的采樣精度。最小分辨率加入 0.5 i書最低有裁f立.幅値的白噪聲:i;mV實l!示信號值=8.0mV加入批動后平均値=8.3 mV 國16-23 加入就ii的意國以上就是過采樣能提高分辨率(精度 i的原理,在工程上我1n平時 ''討廣”且不能進免的白噪聲, 在這里為過采樣提高分辨率提

40、供了有益的條件。 還有的一些采集板卡在原始采集信號中添加了 '''高頻擾動" 一偽隨機噪聲,以達到過采樣并提高分辨率的效果。因此,在工程中有一個4,'l 53LabvlEw寶典 ·,被廣、置認可的結論:每提高4倍的采樣率,就可以得到1位的分辨率(精度)。1 6,4 降低系統噪聲和提高精度實際工程所處的工業環境和噪聲那境不同,數據采集卡的數據精度經常達不到產品標稱精度。本節將要介_紹降低系統噪聲和提高測量精度的方法 。其中與精度有關的概念如表1 6-1 3所示 。最16-13與精度有關的概念名稱 各注 除目的信號外的一切信號部是電路的噪聲機、照

41、明設施、明 指干就大小和方向一致, 存在于信號線中田一相對大地、 或中 線對大地l·,i 的干t1li信號。 共損干擾也稱縱模干擾、 不對稱干 擾或接地干1lilt , 是裁流體與大地之i間的干擾 指大小相等、 方向相,反, 存在于信號線中的千 憂信號 。 差模干:lilt也稱為常模干流 、 積損干1li尤或対稱干械 , 是施加于載流體之 l司 的干 流 狹又來講是指放大器的輸出信號電壓與同時輸出的 噪聲電壓的 比, 常常用分貝數表示。 設備的信噪比超高表明它產生的雜音 ( 環i SNR) 分貝是放大器增益的単位。 放大器輸·出與輸入的比值為放大倍數,單位是'倍&#

42、39; ,如10倍放大器, 1的倍放大器。當改用 M分貝'做単位時, 放大倍數就稱之為增益。 這是対一個概念的再種稱呼。使用分貝有數値 電學中分貝與放大借數的轉換關系為AV(l)(olB)=20lg( Vo/Vi 。用変小、 i重算方便、Ap(dB-10lg(Po/Pi)分貝定又時,電壓 i電流)增益和功率增益的公特合明·覺感受和式不同。 我們都知道功率與電圧、 電流的關系是P:,V2/R=l2R。 采用估算方便等優點這套公式后, 西者的增益數值就一樣了, 都是10lgPdPi:=10lg(Vo2/R)/(vi2/R)1=20lla(V0/Vi)放大器対差模信號的電壓放大倍數

43、Aud與對共模信號的電壓放大 倍mc之比。共模抑制比的英文全稱是Common Mocle Rejection比一般要在85dBRatio, 一般用簡寫CMRR來:表示。 它能夠表明押制共模電圧的程度,以上能說明差分;減大電路抑制共模信號的能力降低噪聲、 提高精度有以下幾種方法.(1 )合理地放置設備,屬顧干tlt信號設各要正確。噪聲源高 0A0設備、線纜以及傳感器越遠越好。 DA設備則高傳感器越近越好。 最好采用屏顧電纜及接線端子。如圖16-24所示,這里對比了使用 Nl屏蔽電纜及接線瑞子前后的效果 。 使用屏蔽電纜和接線端子后信噪比增大了 2倍。(2)抑制共模噪聲。如圖16-25所示,使用単

44、端測量,噪聲會進入單條通道中。而采用差分測量方式,噪聲將分別引入+/一兩個通道中(如圖16-26所示),因此被成.功l抑制。(3)接地環路。實際上不存在絕對意又的地。如圖16-27所示,當西個 ''地''同時連接在電路中時, 會產生電流, 導致測試出現l司題。534 ll' l '一義中Mif.i.,一、·,:l- ··. .·一10 mV、MotL-一.l.i、一1'rl10 ,rnV蘭離器Moto· 第 i6章 LabvlEw實現數據采集如果電路中兩個連接的端子處于不同地電勢,就形成了

45、接地回路(如圖16-28所示)。這個差別特會導設 電流流入交又連接點, 而導致偏置誤差的出現。 更為復雜的是, 在信號源的地和數據采集設各的地之間的電勢差通常不是直流電平。 這就導致了在讀數中會出現電源頻率分量的信號。、期量ii果 1.00V1!11mV 期ii果國16,24 不同電繼與抗干:lilt故果1 00V 士 新V圖16-25 単端與共橫干拉國16-27 不存在絕對意又上的'地''m出f:;» 1wv圖16-26抑制共模干就ll1·0M:l·_-_ 國16-2S 未隔高而導裁電流Bl職如國16-29所示, 由于隔高電流無法流過隔高

46、屏障, 放大器參考地可以比物理地具有更高或更低的電勢, 不會在無意中將接地回路引人到電路中 。 使用隔高的測量設備去除了測量系統適當接地的模湖性, 確保能等得到更加精確的結果。一l la_ l,0-L:十1,o mvJ ll'· 、· 、圖16-29 隔高器田止形成接地回路( 4 ) 使用、溫波器。 、濾波器分為:硬件和軟件兩類。·硬件遠波器不占用 CPIL:資源,但需要外接硬件支持。軟件施波器簡単、員活、可預測、低成本,但是無法過、溝混a信號。目前CPU已完全滿足軟件浦 波處理的要求 。(5)降低噪聲還有其他一些方法。如圖16-30所示,使用電流那路,使

47、用帶調理功能的傳 535a高房 / ' 'l ll i十Tl_d,二既離器,、a1ll'll ·lVLabv,Ew寶典 感器, 使用數字傳感器都可以降噪。( 6 i提高精度也有其他一些方法。例如,使用更高精度的采集卡,使用過采樣技術等。·1tlV,、 、 :t ·_l · 、· ·圈16-30 使用電流那路( 7 )數字量同樣存在干流, 對于工業應用而言, lL具有噪聲邊界值小的缺點。 高運輯電平和低理l量電平分別是2.0 V和 0.8 V, 因而課差的空間很小。例如, TTL輸入的低電平l;果聲邊界值是 0.3 V(它是最大低電平TTL輸入値 0,8 V和最大低電平TTL輸出值 0.5 V之間的差 i。任何與數字信號相合的超過 0.3 V的數字信號都會將電壓平移至 0.8 V至2,0 V之間的未定_):(_區域。這時, 輸入的行為是不確定的, 并且會產生不正確的數值。而24 V選基i提供了更1寬的噪聲:格度, 具有更好的 綜合噪聲抑制度。 由于大多數工業傳感器、 執行器和控制通輯已經使用24 V電源進行工作, 使用對應的數字選輯電平更為方