數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理(快速切入軟硬件結(jié)合)

1、聲明本課件供虛擬儀器技術(shù)、自動(dòng)測試技術(shù)等相關(guān)課程教師授課使用與參考. 教師可根據(jù)課程需要和實(shí)際情況在此課件基礎(chǔ)上增刪內(nèi)容本課件版權(quán)屬NI(中國)公司所有，供中國大陸地區(qū)高校教師無償使用或在課程中引用，但使用或引用之前請聯(lián)系NI(中國)公司高校市場部獲得免費(fèi)使用授權(quán) (聯(lián)系方式 )本課件不得用于公開出版或其他商業(yè)用途. 如需在公開出版物中引用其中部分內(nèi)容, 請與NI(中國)公司高校市場部聯(lián)系獲得授權(quán)說明此講內(nèi)容較多，可分兩至三次講授，或與下一講合并一共使用兩至三次（4-6學(xué)時(shí)）第四講數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集的概念及應(yīng)用數(shù)據(jù)采集 (Data Acquisition, 簡稱DAQ) 自動(dòng)從布置于工

2、廠、實(shí)驗(yàn)室、或現(xiàn)場的傳感器、儀器、設(shè)備等收集獲取數(shù)據(jù)的過程 狹義的數(shù)據(jù)采集主要是模擬輸入(AI)，其目的是為了測量某種電信號(hào)或物理信號(hào)，如電壓、電流、溫度、壓力、加速度、聲強(qiáng)等 廣義的數(shù)據(jù)采集還包括模擬輸出、數(shù)字I/O等 例如, 目前市面上的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，如NI的M系列多功能DAQ卡 現(xiàn)在一些傳感器/變送器已經(jīng)集成了A/D轉(zhuǎn)換功能，直接通過數(shù)字接口讀取數(shù)據(jù)，從而不需要模擬輸入采集 數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用十分廣泛，幾乎涵蓋所有工程專業(yè)和科學(xué)研究方向 電子、電氣、機(jī)械、車輛工程、海洋工程、環(huán)境、化工、生物醫(yī)學(xué)、土木工程、能源電力、高能物理數(shù)

3、據(jù)采集系統(tǒng)概述信號(hào)調(diào)理傳感器/ 信號(hào)數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線傳感器 將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為可以測量的電信號(hào)信號(hào)物理現(xiàn)象傳感器常見的部分傳感器物理量傳感器溫度熱電偶RTD熱電阻熱敏電阻應(yīng)變、壓力應(yīng)變片壓電轉(zhuǎn)換器聲音麥克風(fēng)振動(dòng)加速度計(jì)位置與位移電位器線性電壓差動(dòng)變換器光編碼器流量雙頭流量計(jì)旋轉(zhuǎn)流量計(jì)pH值酸度計(jì)電極光真空管光感應(yīng)器傳感器 任意類型信號(hào)連接 直接連接 或通過接線端DAQ設(shè)備 PCI/PXI PCIe/PXIe USB EthernetPC Windows Linux Mac典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)數(shù)據(jù)采集硬件可以將PC變?yōu)橐粋€(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)部分常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備類型 實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)環(huán)

4、境使用 基于PCI/PXI接口 往往需要外接端子和線纜 便攜式/遠(yuǎn)距離 USB，Ethernet接口 教學(xué)實(shí)驗(yàn)與學(xué)生練習(xí) 如ELVIS 、myDAQ 除了數(shù)據(jù)采集硬件電路之外還集成了其他一些功能，如數(shù)字萬用表、可編程電源等舉例: 基于PXI平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集PXI控制器及機(jī)箱(可大致理解為PC)接線端（前面凸出部分）信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集（接線端后面）舉例: 用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的NI ELVIS 一種集成了12種儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 安裝NI-ELVIS驅(qū)動(dòng)后可通過ELVIS軟面板實(shí)現(xiàn)這些功能 同時(shí)也可看做是一種基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備 用于學(xué)習(xí)虛擬儀器（尤其是數(shù)據(jù)采集）的相關(guān)編程技術(shù)USB總線（注

5、意: 不是前面所說的傳輸電纜）接線端+傳輸線纜+數(shù)據(jù)采集設(shè)備PC數(shù)據(jù)采集設(shè)備的構(gòu)成 數(shù)據(jù)傳輸總線 同步總線 DAQ Circuitry 時(shí)鐘/定時(shí)電路 板載FIFO 信號(hào)路由 內(nèi)部校準(zhǔn)電路 前端電路 模擬輸入/模擬輸出/數(shù)字IO/計(jì)數(shù)器 注意: 模擬輸入可能通過復(fù)用器共用一個(gè)ADC，模擬輸出通常是每通道專用DAC選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)的考慮因素 通道數(shù) 總線 帶寬是否足夠數(shù)據(jù)傳輸速度的需求 最高采樣率 根據(jù)乃奎斯特定律，采樣率應(yīng)為最高頻率分量的兩倍以上，實(shí)際上最好能做到5-10倍 分辨率 夠用就好，不一定越高越好 輸入范圍 對于動(dòng)態(tài)信號(hào)，還應(yīng)關(guān)注動(dòng)態(tài)范圍 如麥克風(fēng)/加速度計(jì)等信號(hào)的采集分辨率并不完

6、全反映精度 影響精度的因素 ADC和放大器件的偏移和增益誤差等 噪聲等因素 舉例 某16位ADC的采集卡，選擇2 V 輸入范圍 理論上，最低位所反映的電壓量為 板卡手冊查得的精度為410 V 2 (-2)216= 61V數(shù)據(jù)采集軟件LabVIEW開發(fā)環(huán)境NI-DAQmx VINI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)軟件(*.DLL)DAQ 設(shè)備配置與診斷工具: Measurement & Automation Explorer (MAX)以LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境為例軟件準(zhǔn)備 驅(qū)動(dòng)程序 NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)NI-DAQmx (NI-ELVIS驅(qū)動(dòng)已包含NI-DAQmx，因此可只安裝NI-E

7、LVIS) 更換設(shè)備時(shí)相同的程序幾乎無需修改 開發(fā)環(huán)境 本課程采用NI LabVIEW 亦可采用其他開發(fā)環(huán)境或一些無需編程的配置環(huán)境 (如NI SignalExpress) 安裝順序: 先安裝開發(fā)環(huán)境再安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (即先LabVIEW再NI-DAQmx)NI數(shù)據(jù)采集軟件方面的一些術(shù)語 NI-DAQmx 驅(qū)動(dòng)層軟件 可以檢測到數(shù)據(jù)采集硬件 在LabVIEW中安裝NI-DAQmx函數(shù) Measurement & Automation Explorer 簡稱MAX，隨NI-DAQmx或任何其他NI驅(qū)動(dòng)軟件安裝 配置或檢測數(shù)據(jù)采集硬件 DAQ Assistant (DAQ助手) 用于開發(fā)

8、數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的Express VI，基于配置 DAQmx API 一系列用于數(shù)據(jù)采集應(yīng)用開發(fā)的API函數(shù)在MAX中配置并檢測數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)據(jù)采集助手 兩種調(diào)用方式 在MAX中的“數(shù)據(jù)鄰居”中創(chuàng)建任務(wù) 通過LabVIEW中的Express VI 基于配置，無需編程 在LabVIEW中可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為調(diào)用NI-DAQmx底層API VI的程序，可自定義修改模擬輸入 (Analog Input) 數(shù)據(jù)采集一詞狹義即指模擬輸入 即通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)采樣為數(shù)字信號(hào)，從而可被計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)一步處理 常用于實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集以及電信號(hào)的采集數(shù)據(jù)采集中的接地問題測量系統(tǒng)信號(hào)源+VS-VM接地信號(hào)源+_Vs+

9、_Vs浮地信號(hào)源接線方式1：差分 (Differential) 可以抑制共模電壓和共模噪聲VMACH +ACH -+_儀器放大器+_+_AISENSEAIGND測量系統(tǒng)VS接線方式2：參考單端（RSE） 測量基于對地參考 不能抑制共模噪聲VMACH +ACH -+_儀器放大器+_VS+AISENSEAIGND_測量系統(tǒng)接線方式3：非參考單端 (NRSE) 測量基于對AISENSE端的參考 但是多個(gè)通道測量時(shí)，AISENSE是共用的 不能抑制共模電壓VSVMACH +ACH -+_儀器放大器+_+_AISENSEAIGND測量系統(tǒng)偏置電阻 浮地信號(hào)源采用差分或NRSE方式時(shí)需要 通過偏置電阻為偏

10、置電流提供入地通道 推薦值10 k and 100 k信號(hào)源測量系統(tǒng)+-R1R2儀器放大器會(huì)產(chǎn)生偏置電流+-AIGND對于接地信號(hào)源的測量RSENRSEDifferential最好+ 抑制共模電壓 可用通道數(shù)減少一半不推薦 兩個(gè)地之間的電壓Vg會(huì)產(chǎn)生接地回路, 所產(chǎn)生的電流有可能損壞設(shè)備可以+ 所有的通道都可以使用 不能抑制共模電壓+_Vs對于浮地信號(hào)源的測量+_VsRSENRSEDifferential最好+ 抑制共模電壓 可用通道數(shù)減少一半 需要偏置電阻好+所有的通道都可以使用+ 不需要偏置電阻 不能抑制共模電壓可以+所有的通道都可以使用 需要偏置電阻不能抑制共模電壓AISENSE共用放大

11、器和ADC 成本較低 如NI M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡及部分X系列多功能數(shù)采卡，以及NI ELVIS每通道獨(dú)立放大器及ADC 成本較高 如NI S系列數(shù)采卡、CompactDAQ數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、及部分X系列數(shù)采卡MUXADCAMPChannel 0Channel n多路復(fù)用采樣架構(gòu)同步采樣架構(gòu)AMPADCAMPChannel 0Channel nADC模擬采集(AI)硬件架構(gòu)輸入范圍 儀器放大器 為了盡量用滿ADC位數(shù)，模擬采集通道配有儀器放大器 通過合理設(shè)置輸入最大值和最小值參數(shù)，可以使DAQ設(shè)備自動(dòng)配置最合適的儀器放大器增益，從而盡量用滿ADC位數(shù)AMPADC采樣術(shù)語 (針對硬件定時(shí)) 采樣率

12、 單一通道每秒采樣點(diǎn)數(shù) 采樣時(shí)鐘 速率等于采樣率 AI轉(zhuǎn)換時(shí)鐘 直接產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘 通道之間會(huì)有延時(shí) 同步采樣架構(gòu)相對多路復(fù)用采樣架構(gòu)來說，可認(rèn)為通道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是同步的AI Convert Clock0 1 2 30 1 2 30 1 2 3Sample ClockDAQmx數(shù)據(jù)采集程序的基本架構(gòu)配置任務(wù)采集數(shù)據(jù)清除任務(wù)創(chuàng)建任務(wù)開始任務(wù)一個(gè)最簡單的模擬輸入電壓采集程序 單點(diǎn)電壓采集 分別用DAQ助手和DAQmx底層VI實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)有限點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的LabVIEW程序讀取多個(gè)采樣采樣率設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置連續(xù)數(shù)據(jù)采集的LabVIEW程序程序每次從PC RAM讀取的采樣數(shù)采樣率設(shè)置硬件定時(shí)的采

13、集需要通過Buffer 有限點(diǎn)采集 (Finite) 和 連續(xù)采集 (Continuous)總線 (如 PCI / USB)RAMADE (Application)MemoryPC緩存輸入速率數(shù)據(jù)板載 FIFO轉(zhuǎn)移速率ASICLabVIEW PC緩存必須夠大 (至少需超過一次傳遞的數(shù)據(jù)量) 連續(xù)采集中, 如果要使兩處緩存一直不溢出, 必須保證總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移速率大于數(shù)據(jù)的輸入速率，同時(shí)程序必須盡快讀取PC緩存中的數(shù)據(jù)理解連續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)PC Buffer通過總線來自于采集設(shè)備的數(shù)據(jù)1PC BufferLabVIEW程序從PC Buffer讀取數(shù)據(jù)進(jìn)入LabVIEW Buffer2PC Buffer

14、LabVIEW Buffer3PC BufferLabVIEW BufferPC BufferLabVIEW Buffer4連續(xù)采集時(shí)可能的數(shù)據(jù)傳輸異常RAMPCBufferADE (Application)Memory輸入速率DATA板載 FIFO總線傳輸速率ASIC板載內(nèi)存Overflow解決辦法: 1. 提高總線帶寬2. 選擇板載FIFO較大的板卡3. 降低采樣速率(如果允許)PC內(nèi)存Overwrite解決辦法:1. 增加程序循環(huán)讀取速度 (不要在采集循環(huán)里放太多處理工作)2. 選用更快的CPU3. 增大PC RAM，并通過編程指定更大的Buffer4. 降低采樣速率(如果允許)觸發(fā) (

15、Trigger) 觸發(fā)的概念 每個(gè)動(dòng)作需要一個(gè)“激勵(lì)”或“原因” 動(dòng)作: 比如開始采集信號(hào)后產(chǎn)生波形輸出 觸發(fā)的分類 開始觸發(fā)、參考觸發(fā)、停止觸發(fā)（按動(dòng)作結(jié)果來分） 模擬觸發(fā)、數(shù)字觸發(fā)（依照觸發(fā)“激勵(lì)”信號(hào)來分） 不同的設(shè)備不一定支持所有觸發(fā)方式，可參閱相關(guān)手冊開始觸發(fā)時(shí)鐘開始采集停止采集1 2 3 4 5LabVIEW中對觸發(fā)的編程 在任務(wù)種增加DAQmx Trigger.vi并作相應(yīng)配置NI ELVIS平臺(tái)的模擬數(shù)據(jù)采集部分 模擬輸入通道 已直接通過插板引出相關(guān)端子，不需要外置端子盒 支持差分輸入、參考單端輸入、非參考單端輸入 差分輸入通道一共8路 （相當(dāng)于16路單端輸入） 復(fù)用ADC結(jié)構(gòu)

16、 數(shù)據(jù)采集功能 沒有集成信號(hào)調(diào)理 可在面包板上自行搭建簡單的信號(hào)調(diào)理電路 普通模擬電壓信號(hào)不需要額外的信號(hào)調(diào)理NI ELVIS平臺(tái)的模擬數(shù)據(jù)采集部分 通道數(shù) 8路差分或16路單端 ADC位數(shù)16 采樣率 單通道最高1.25MS/s 多通道1MS/s (所有通道合計(jì)) 輸入范圍 10 V, 5 V, 2 V, 1 V, 0.5 V, 0.2 V, 0.1 V模擬輸出 大多數(shù)多功能DAQ設(shè)備的每個(gè)模擬輸出通道有一個(gè)DAC (同步更新) 與模擬輸入的同步采集類似DAC通道0通道1DAC通道0通道1輸出操作的數(shù)據(jù)傳輸輸出頻率ASICPCI總線RAMPC緩沖區(qū)應(yīng)用程序內(nèi)存板載 FIFO傳輸速率LabVI

17、EW數(shù)據(jù)軟件定時(shí)的模擬輸出軟件定時(shí) 速率決定于操作系統(tǒng)或程序（在生成循環(huán)中添加延時(shí)）硬件定時(shí) 設(shè)備上的時(shí)鐘控制定時(shí)，比軟件定時(shí)更快更精確帶緩沖的波形生成 生成波形頻率取決于下列三個(gè)因素 更新率 (每秒多少個(gè)更新點(diǎn)) 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)點(diǎn) 緩沖區(qū)中的周期數(shù)信號(hào)頻率 更新率緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)緩沖區(qū)中的周期數(shù) 緩沖區(qū)大小 1000點(diǎn)緩沖區(qū)中的周期數(shù) 2更新率 1000 點(diǎn)/秒則, 信號(hào)頻率 2 Hz使用采樣時(shí)鐘的連續(xù)波形生成 硬件定時(shí)基于時(shí)鐘的硬件定時(shí)寫入生成數(shù)據(jù)開始生成任務(wù)與模擬采集不同, 循環(huán)在這里起的作用僅僅是不斷檢查任務(wù)狀態(tài), 而非不斷寫入數(shù)據(jù)NI ELVIS平臺(tái)的模擬輸出部分 通道數(shù):2 DAC

18、位數(shù): 16 最高更新速率 單通道2.8MS/s 雙通道2.0MS/s 最大輸出范圍 10 V, 5 V 最高驅(qū)動(dòng)電流: 5 mA數(shù)字I/O 按照電平標(biāo)準(zhǔn)和電流驅(qū)動(dòng)能力分類 TTL LVTTL(低電壓) LVDS (利用差分技術(shù)) 工業(yè)數(shù)字I/O (如12V, 24V, 48V等) 需根據(jù)電平標(biāo)準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)能力、所需速率等因素選用不同的數(shù)字I/O板卡 大多數(shù)多功能數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)字I/O通道電平與TTL兼容 課程中所用到的NI ELVIS及NI myDAQ上集成的數(shù)字I/O通道也是與TTL兼容數(shù)字術(shù)語 位 數(shù)據(jù)的最小單位， 每一位為1或0 字節(jié) 包含8位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù) 線 端口中的一路獨(dú)立信號(hào)，位

19、表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，線是“位”在硬件上的表示 端口數(shù)字線的集合（通常4或8路） 端口寬度端口的數(shù)字線數(shù)目（通常4或8）DAQ助手 / 數(shù)字測試面板通過DAQmx API創(chuàng)建數(shù)字虛擬通道 創(chuàng)建一個(gè)端口、線或線集合的數(shù)字通道 選擇如何將數(shù)字線編組為一個(gè)或多個(gè)虛擬通道 影響DAQmx讀取VI的配置線格式每個(gè)通道多條線讀取單采樣線0、2、4線4、2、0二進(jìn)制數(shù)的顯示數(shù)字輸出 軟件定時(shí) (Static Digital I/O)硬件定時(shí) 某些DAQ設(shè)備支持硬件定時(shí)的數(shù)字I/O 與帶緩沖的模擬輸入輸出原理相同 采樣時(shí)鐘用于硬件定時(shí)的數(shù)字I/O (Correlated Digital I/O) NI ELVIS的

20、數(shù)字I/O端口Port1/Port2支持硬件定時(shí)，Port0只支持軟件定時(shí)NI ELVIS上的數(shù)字I/O 24 Static DIO (Port 0) 15 PFI (Port 1, Port 2) 支持硬件定時(shí) 每通道可設(shè)置輸入/輸出計(jì)數(shù)器 兩個(gè)基本功能 基于輸入信號(hào)（門和源）的比較，進(jìn)行計(jì)數(shù) 基于輸入和寄存器值，生成脈沖 許多應(yīng)用由基本計(jì)數(shù)演變而來 邊沿計(jì)數(shù)，例如簡單邊沿計(jì)數(shù)和時(shí)間測量 脈沖寬度、半周期和周期測量 頻率測量 單脈沖和脈沖序列生成 位置和速度測量輸出門源計(jì)數(shù)寄存器 注: 由于課時(shí)限制，本課程中主要介紹 脈沖邊沿計(jì)數(shù)、脈沖寬度測量、固定頻率連續(xù)脈沖串生成 這三種應(yīng)用，更多計(jì)數(shù)器

21、的應(yīng)用可以參考DAQmx幫助及LabVIEW中的范例程序自學(xué)計(jì)數(shù)器的硬件組成計(jì)數(shù)寄存器 保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值 ELVIS II有兩個(gè)32位的寄存器 歸零前最終計(jì)數(shù) 232 1 可設(shè)置每次計(jì)數(shù)寄存器加1或減1（向上計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)）源 (Source) 相當(dāng)于計(jì)數(shù)時(shí)鐘 可設(shè)置上升沿或下降沿有效門 (Gate) 相當(dāng)于使能控制信號(hào)輸出 (Output) 用于生成脈沖GateSourceOutput計(jì)數(shù)寄存器 最簡單的邊沿計(jì)數(shù)01230TC-1TC計(jì)數(shù)器就緒源計(jì)數(shù)利用DAQ助手實(shí)現(xiàn)最簡單的邊沿計(jì)數(shù)利用DAQ助手可以更直觀地看到各種基于計(jì)數(shù)器應(yīng)用的原理，同時(shí)方便地進(jìn)行相關(guān)配置適合作為參考，鼓勵(lì)同學(xué)們?nèi)匀换贒

22、AQmx API實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇PFI線選擇計(jì)數(shù)方向：升值計(jì)數(shù)減值計(jì)數(shù)選擇上升沿或下降沿脈沖測量 使用已知頻率的時(shí)基測量未知信號(hào)的特性 ELVIS中計(jì)數(shù)器自帶的時(shí)基可選80 MHz, 20 MHz及100 kHz脈沖周期 周期測量寬度脈沖寬度測量源門源輸出計(jì)數(shù)寄存器 測量信號(hào)時(shí)基信號(hào)例：單脈沖寬度測量 理解測量的原理很重要 實(shí)際的程序中，DAQmx驅(qū)動(dòng)已經(jīng)幫我們進(jìn)行了底層的計(jì)算，所以只要選擇相應(yīng)的功能并配置相關(guān)參數(shù)即可脈沖生成 在計(jì)數(shù)器的輸出引腳上生成TTL脈沖或脈沖序列單個(gè)脈沖脈沖序列單一脈沖或脈沖序列時(shí)基門源輸出計(jì)數(shù)寄存器 例：連續(xù)脈沖生成計(jì)數(shù)器引腳與接線 所有計(jì)數(shù)器相關(guān)應(yīng)用的接線都是通過PF

23、I引腳 一個(gè)PFI引腳可有多種用途（例如既可以作為計(jì)數(shù)器的源信號(hào)又可以作為模擬采集的觸發(fā)信號(hào)） NI ELVIS的板子上畫出了默認(rèn)的計(jì)數(shù)器引腳分配 可以通過DAQmx幫助中Counter的部分查看針對不同計(jì)數(shù)器應(yīng)用的信號(hào)連線方式（更方便的方式是在MAX中建立一個(gè)任務(wù)，DAQ助手會(huì)自動(dòng)顯示默認(rèn)的正確引腳連線方式）利用NI ELVIS上的計(jì)數(shù)器 集成2個(gè)32位計(jì)數(shù)器 可實(shí)現(xiàn)各種基于計(jì)數(shù)器的測量和生成功能作業(yè) - SEU 采用狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng) 顯示等待時(shí)間 黃燈閃爍 控制員可以在紅綠燈間進(jìn)行切換 基于myDAQ實(shí)現(xiàn)模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O等功能（可自由結(jié)合外部傳感器/顯示元件/執(zhí)行

24、機(jī)構(gòu) 能夠讓輸出反映輸入信號(hào)的變化） 使用DAQmx的底層API完成 可參考相關(guān)范例程序 請對兩者進(jìn)行比較 選作：在模擬信號(hào)采集之后，嘗試增加簡單信號(hào)分析和處理功能，例如測算信號(hào)峰值、頻譜等，為下節(jié)課作準(zhǔn)備信號(hào)調(diào)理為了正確（或更精確地）測量某些傳感器的輸出或信號(hào)，有時(shí)需要信號(hào)調(diào)理不同的傳感器需要不同的信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理傳感器/ 信號(hào)數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線信號(hào)調(diào)理設(shè)備 外置式 如NI SCXI 需要再連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備 與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相結(jié)合 如NI CompactDAQ平臺(tái)以及基于PXI Express的SC Express等 模塊中已經(jīng)集成了數(shù)據(jù)采集（A/D轉(zhuǎn)換）功能 在軟件方面，使用

25、同樣的DAQmx驅(qū)動(dòng) 正確配置系統(tǒng)和參數(shù)之后，用戶編程時(shí)只需關(guān)心數(shù)據(jù)采集部分針對電壓信號(hào)測量的信號(hào)調(diào)理 放大 針對小信號(hào)，為了盡可能用滿ADC位數(shù)，提高信噪比（SNR） 衰減 針對大信號(hào)，為了使測量信號(hào)范圍在模擬輸入通道范圍之內(nèi) 隔離 通過電磁、光耦等方式使測量信號(hào)源與測量儀器沒有直接電路相連 可以抑制共模信號(hào)、解決接地回路問題、并保護(hù)儀器 濾波 減小噪聲、濾除干擾頻率 這里指的是前端硬件濾波，不同于后端數(shù)字濾波或軟件濾波LabVIEW中的電壓信號(hào)調(diào)理設(shè)置 與普通的數(shù)據(jù)采集程序基本無異 只需配置并選擇相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理設(shè)備通道，并正確設(shè)置電壓范圍以便驅(qū)動(dòng)自動(dòng)設(shè)定合適的增益溫度信號(hào)測量中的信號(hào)調(diào)理

26、常見的溫度傳感器 熱電偶 RTD熱電阻 熱敏電阻熱電偶RTD熱敏電阻溫度范圍-267C to 2316C-260C to 850C-100C to 500C精確度一般最好一般線性度好最好一般靈敏度一般好最好熱電偶測量原理兩種不同的金屬結(jié)合在一起 由于塞貝克效應(yīng)，不同金屬結(jié)合部會(huì)產(chǎn)生隨溫度變化的電壓差 J1: “熱” 端, THJ J2 & J3: “冷” 端, TCJ到DAQ設(shè)備J-型熱電偶熱電偶測量原理 在測量范圍內(nèi)，熱電偶兩端電壓與熱端溫度成正比 但是需要信號(hào)調(diào)理，以補(bǔ)償冷端產(chǎn)生的電壓差V (mV)Temp Diff (F)20060010001400180022002600300

27、034006050403020100EJKR熱電偶測量 熱電偶信號(hào)調(diào)理模塊 自動(dòng)冷端補(bǔ)償功能: 許多熱電偶信號(hào)調(diào)理模塊帶有直接讀取傳感器，可以自動(dòng)讀取冷端補(bǔ)償溫度，并自動(dòng)對熱電偶測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算 熱點(diǎn)偶模塊通常還集成了濾波、放大、隔離等信號(hào)調(diào)理功能 LabVIEW程序 程序中只需在創(chuàng)建通道時(shí)做相應(yīng)設(shè)置RTD與熱敏電阻 被動(dòng)式的溫度測量傳感器 需要來自外部源的電流或電壓激勵(lì) 利用金屬或金屬氧化物的電阻與溫度有關(guān)的原理 測量時(shí)有不同的接線方式: 2-線、3-線、4-線 除了激勵(lì)之外對RTD與熱敏電阻的信號(hào)調(diào)理還包括濾波和放大應(yīng)變 應(yīng)變是物體受到外力時(shí)產(chǎn)生的形變量 應(yīng)變()以長度的微小變化定義，

28、如下圖所示應(yīng)變測量原理 應(yīng)變片的Z字形結(jié)構(gòu) 有形變時(shí)，電阻變化 應(yīng)變計(jì)因子(GF): 電阻變化比例與長度變化比例（應(yīng)變）的比值 關(guān)鍵是電阻的精確測量RRLLRRGF應(yīng)變測量電路 惠斯通電橋 測量電阻的微小變化EXoVRRRRRRV212433 如果所有電阻阻值相等，電壓讀數(shù)值為0 如果有一個(gè)或多個(gè)電阻阻值改變，將返回電壓讀數(shù)應(yīng)變測量電路 應(yīng)變片接入惠斯通電橋的接法 有1/4橋、半橋、全橋等不同方法 具體參見 http:/ 及相關(guān)資料 應(yīng)變測量中的信號(hào)調(diào)理 橋接電路及激勵(lì) 負(fù)載端電壓采樣 失調(diào)清零 分流校準(zhǔn) 放大/濾波例: 半橋I型接法負(fù)載端電壓采樣 如電橋電路遠(yuǎn)離信號(hào)調(diào)理器和激勵(lì)源，連接激勵(lì)源

29、和電橋的導(dǎo)線上的電壓降可能導(dǎo)致誤差 通過負(fù)載端電壓采樣補(bǔ)償此誤差失調(diào)清零 確保無應(yīng)變時(shí)讀數(shù)為零，偏移量清零 本質(zhì)上為偏置校準(zhǔn) 可在硬件或軟件中完成，補(bǔ)償內(nèi)在的電橋失衡 硬件失調(diào)清零校準(zhǔn)中使用粗調(diào)和細(xì)調(diào)電位器分流校準(zhǔn) 目的 驗(yàn)證應(yīng)變計(jì)測量系統(tǒng)的輸出與已知的機(jī)械輸入或應(yīng)變的比較 過程 將已知阻值的電阻引入電路中，并將應(yīng)變測量值與期望值比較，在后續(xù)讀數(shù)中加入修正因子分流電阻與某個(gè)電橋電阻并聯(lián)開關(guān)關(guān)閉（程序控制）時(shí)，啟用分流電路應(yīng)變測量LabVIEW程序舉例 配置電橋信息和應(yīng)變計(jì)信息 可選進(jìn)行失調(diào)清零和分流校準(zhǔn)負(fù)載、壓力和扭矩測量 負(fù)載（稱重） 使用一組應(yīng)變計(jì)測量結(jié)構(gòu)的形變，該形變與力成比例 壓力傳感

30、器 使用固定在隔板的應(yīng)變計(jì)測量隔板的形變，該形變與壓力成比例 扭矩傳感器 使用附加在扭桿的應(yīng)變計(jì)測量扭桿的剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力與扭矩成比例聲音與振動(dòng)測量 典型應(yīng)用 噪聲、振動(dòng)與舒適度檢測（NVH） 例: 用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行噪聲源定位 聲學(xué)測試 例: 音箱聲音品質(zhì)測試 機(jī)器故障監(jiān)測與診斷 例: 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷 傳感器 聲壓傳感器（麥克風(fēng)）：測量升壓 加速度傳感器： 根據(jù)壓電理論測量加速度聲音與振動(dòng)測量中的信號(hào)調(diào)理及程序 信號(hào)調(diào)理 電流激勵(lì)（IEPE激勵(lì)） AC耦合可消除DC偏置 針對不同信號(hào)范圍的靈活增益設(shè)置 聲音與振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大 低通濾波器消除噪聲和防止混疊 采集程序與普通輸入采集程序幾乎無差別 只需對信號(hào)調(diào)理選項(xiàng)做相應(yīng)配置（如AC/DC耦合、IEPE電流激勵(lì)設(shè)置等）同步 許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中要求同步測量 概念 同時(shí)測量 操作同時(shí)發(fā)生，但無須嚴(yán)格同步 無需證明測量在同一時(shí)刻發(fā)生 如同發(fā)令槍響，同時(shí)開始跑，但是步伐不一定一致 同步測量 測量是相關(guān)的 如同“齊步走”，同時(shí)開始，步伐也一致同步原理 共享一個(gè)主時(shí)基和觸發(fā)信號(hào) 采樣時(shí)鐘來自于同一個(gè)時(shí)基 對于單塊板卡，時(shí)基總是相同的 多于多塊板卡，必須共享時(shí)基以消除相位誤差開始觸發(fā)時(shí)基模擬輸入2采樣時(shí)鐘模擬輸入1采樣時(shí)鐘同步誤差來源 抖動(dòng) （Jitter） 抖動(dòng)是時(shí)鐘周期之間（兩次采樣之間）的微小差別 在