《虚拟仪器设计》第二章

《虚拟仪器设计》第二章第一页，共83页。2.1

数据采集系统的概念及其结构

数据采集的概念;数据采集系统的结构形式及其特点；信号的分类及其特征。2第二页，共83页。2.1

数据采集系统的概念及其结构数据采集的概念：

是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成为数字量后，由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。3第三页，共83页。2.1数据采集系统的概念及其结构多路分时采集分时输入结构集中采集式4第四页，共83页。2.1数据采集系统的概念及其结构多路同步采集分时输入结构集中采集式5第五页，共83页。2.1数据采集系统的概念及其结构分布式单机数据采集系统的结构分散采集式6第六页，共83页。2.1数据采集系统的概念及其结构网络式数据采集结构分散采集式7第七页，共83页。2.1输入信号的类型及其检测8第八页，共83页。2.1输入信号的类型及其检测9第九页，共83页。2.2输入信号的类型及其检测10第十页，共83页。

2.3模拟信号的数字化处理

(DigitalAnalyzingofAnalogSignal)本节学习重点：采样过程及其采样定理，重点区分采样信号和数字信号的区别；混叠现象产生的原因以及混叠频率的计算方法。11第十一页，共83页。信号的频率？代表信号变化快慢的物理量任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加不同的信号频率不同：语音：<4kHz音乐：<20kHz超声：20kHz~xxMHzFM收音机：MHz雷达：xGHz2.3模拟信号的数字化处理12第十二页，共83页。采样周期的倒数表示采样快慢的物理量多长时间采一个点/每秒采样多少点采样频率的含义？2.3模拟信号的数字化处理13第十三页，共83页。（1）时间断续采样：对连续的模拟信号x(t)，按一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值，这个过程就成为采样。采样信号：连续的模拟信号x(t)转换为时间上离散的模拟信号xs(nTs),则称为采样信号。

连续的模拟信号需经过如下两个阶段才能变成离散的数字信号：2.3模拟信号的数字化处理14第十四页，共83页。（2）数值断续：量化：把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化。量化信号：采样信号xs(nTs)经量化后变换为量化信号xq(nTs)。编码：把量化信号xq(nTs)经过编码，可转换为离散的数字信号x(n)2.3模拟信号的数字化处理15第十五页，共83页。采样/保持连续的模拟信号x(t)采样信号xs(nTs)采样信号xs(nTs)量化量化信号xq(nTs)量化信号xq(nTs)数字信号x(n)编码（3）模拟信号的数字化过程计算机采样保持器A/D转换器（2）模拟信号的数字化过程:16第十六页，共83页。思考题：制订采样定理的目的是？2.3模拟信号的数字化处理17第十七页，共83页。采样信号Ts：采样周期采样过程模拟信号2.3模拟信号的数字化处理18第十八页，共83页。采样过程的原理采样过程可看作脉冲调制过程，采样开关可看作调制器。这种脉冲调制过程是将输入的连续模拟信号转换为宽度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列。2.3模拟信号的数字化处理19第十九页，共83页。采样定理：对连续信号x(t)，其频谱为x(f)，以采样周期Ts采得的离散信号为xs(nTs)。如果频谱和采样周期满足如下的条件，则能不失真的恢复原始的模拟信号。有限频谱：当f>=fn(fn为信号的最高频率）时，x(f)=0;Ts=<1/2fn。工程中fs取5-10fn2.3模拟信号的数字化处理20第二十页，共83页。采样定理为何要定义为有限频谱呢？2.3模拟信号的数字化处理21第二十一页，共83页。（2）采样定理的应用混叠现象：当采样频率过低时，由所采样的数据还原的信号频率与原始信号频率不同，这种信号畸变现象叫做混叠。混叠频率=abs（采样频率的最近整数倍-输入频率）2.3模拟信号的数字化处理22第二十二页，共83页。例1：某信号的频谱图2.3模拟信号的数字化处理23第二十三页，共83页。2.3模拟信号的数字化处理24第二十四页，共83页。混叠问题的解决方法在A/D前加入低通滤波器，将大于1/2采样频率的信号成分滤去，称为抗混叠滤波器。2.3模拟信号的数字化处理25第二十五页，共83页。量化信号量化过程

把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量2.3模拟信号的数字化处理26第二十六页，共83页。（1）量化单位概念量化单位：最小数量单位

q=FSR/2nq:量化单位；FSR：满量程电压

n：A/D转换器的位数2.3模拟信号的数字化处理27第二十七页，共83页。（2）量化误差量化信噪比：S/N=12X22nn-----A/D转换器的位数结论：增加A/D转换器的位数能减小量化误差。2.3模拟信号的数字化处理28第二十八页，共83页。量化信号变成数字信号编码:把量化信号的电平用数字代码表示。2.3模拟信号的数字化处理29第二十九页，共83页。(1）单极性编码-二进制编码2.3模拟信号的数字化处理30第三十页，共83页。(2）单极性编码-BCD编码BCD编码中，用一组4位二进制码来表示一位0~9的十进制数。例如一个电压按照BCD码表示如下：2.3模拟信号的数字化处理31第三十一页，共83页。(3）双极性编码2.3模拟信号的数字化处理32第三十二页，共83页。2.4信号获取与信号调理技术2.4.1信号获取方法和途径1.信号获取

(1)通过敏感元件拾取被测信号（2）通过传感器拾取被测信号（3）通过接口直接拾取被测信号（4）通过测量仪表拾取被测信号33第三十三页，共83页。2.输入通道特点（1）输入通道要靠近信号拾取对象（2）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路（3）输入通道电路设计与多种因素相关（4）输入通道的环境无主观选择余地（5）输入通道靠近现场，易受干扰2.4信号获取与信号调理技术34第三十四页，共83页。传感器或变送器输出的信号需要调理后才能被DAQ板有效、准确地采集、转换,这种前端预处理就是所谓signalconditioning,包括放大，隔离,激励和多路复用等。数据采集系统用于非电量测量一般都需要通过硬件进行信号调理,特别是PC-DAQ系统通常要外接专门的SCXI(SignalConditioningeXtentionsforInstrumentation)。22.4.1基本概念.4信号获取与信号调理技术2.4信号获取与信号调理技术35第三十五页，共83页。1.哪些信号需要调理？（1）电阻信号（2）mV级电压信号（3）uA级电流信号（4）频率信号2.4信号获取与信号调理技术36第三十六页，共83页。2.4.2常用信号调理类型放大：噪声可能会严重破坏PC-DAQ系统的测量精度，通过(在板或外部的)放大调理可以提高分辨率，有效降低噪声的影响。许多传感器的输出信号在mV、甚至μV量级，直接在DAQ板放大这种模拟小信号，必然对来自引线与计算机内部的噪声也一起放大。当信号小到μV量级时，这些噪声可能会完全淹没信号。减少系统噪声简单而有效的方法通常是采用外部的放大调理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高S/N。2.4信号获取与信号调理技术37第三十七页，共83页。2.4.2常用信号调理类型放大：噪声可能会严重破坏PC-DAQ系统的测量精度，通过(在板或外部的)放大调理可以提高分辨率，有效降低噪声的影响。许多传感器的输出信号在mV、甚至μV量级，直接在DAQ板放大这种模拟小信号，必然对来自引线与计算机内部的噪声也一起放大。当信号小到μV量级时，这些噪声可能会完全淹没信号。减少系统噪声简单而有效的方法通常是采用外部的放大调理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高S/N。2.4信号获取与信号调理技术38第三十八页，共83页。抑制噪声可以采用的方法(1)减少传输线的长度；(2)使信号线远离交流电源线和显示设备，避免50HZ的工频噪声；(3)使用护套电缆或双绞线电缆，并尽量缩短电线长度能够减少噪声，此外，让信号线远离交流电源线和显示器将有助于减少50Hz的噪声。2.4信号获取与信号调理技术39第三十九页，共83页。滤波与平滑滤波是消除噪声的有效方法，不过应注意合理设置滤波器的带宽，以免影响信号的时间响应。软件平滑(SoftwareAveraging)是一种简单有效的数字滤波技术，对稳态信号还可以进行所谓动态平滑(DynamicalAveraging)。2.4信号获取与信号调理技术2.4.2常用信号调理类型40第四十页，共83页。隔离引起测量问题、甚至损坏DAQ板最常见的原因是接地不当，把传感器和测量设备进行电气或物理隔离是防止这类问题最有效的方法。隔离通过破坏地线环流、抑制高共模电压还能实现对昂贵的DAQ板的保护。常见的隔离方法有光隔离、电容隔离、磁隔离。电容、磁隔离本质上都是一种调制过程，它把信号电压转换成频率，然后在采集前再还原成电压。2.4信号获取与信号调理技术2.4.2常用信号调理类型41第四十一页，共83页。隔离作用小结抑制地电流引起的共模电压(common-modevoltage)保护昂贵的DAQ板不被损坏Highcommon-modevoltage(250Vrms)differentialinputs---upto12Vsingle-pointgroundHigh-voltagesurgespowerlineslightninghigh-voltageequipment2.4信号获取与信号调理技术2.4.2常用信号调理类型42第四十二页，共83页。多路复用多路复用(multiplexing)的作用是以较低的价格有效地扩展DAQ板的I/O能力。对快速应用场合，应注意用于模入的多路复用电路与DAQ板的扫描速率要足够快同时采样与多路复用---S/H技术

Tset+Tacq+Tscan(N-1)2.4信号获取与信号调理技术2.4.2常用信号调理类型43第四十三页，共83页。数字信号调理通常不可直接将研究或工业现场的数字信号不加调理就接入DAQ板，以免高压火花或大共模电压损坏DAQ板。应选用带有调理数字I/O信号的光隔离电路的调理模块或调理板。DI/O信号通常用来控制机电或固态继电器。2.4信号获取与信号调理技术2.4.2常用信号调理类型44第四十四页，共83页。2.5测量放大器高输入阻抗放大器为保证共模抑制比，取R1Rf1-1=Rf2R4-1

则放大器输出为45第四十五页，共83页。2.5测量放大电路特点：输入阻抗和共模抑制46第四十六页，共83页。测量放大器的电路原理1.求测量放大器的增益已知R1，R2，R3,R4,R5,R6,Uo1,Uo2,求Uo

当R1=R2R3=R4R5=R6,求Uo2.5测量放大电路47第四十七页，共83页。测量放大器的主要技术指标共模抑制比温度漂移非线性度建立时间恢复时间电源引起的失调2.5测量放大电路48第四十八页，共83页。采样/保持器及其参数采样保持的必要性为了避免在A/D转换期间由于信号变化而产生误差。采样保持的基本作用取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。2.6采样保持器及其测量方案49第四十九页，共83页。采样/保持器的简单工作原理2.6采样保持器及其测量方案50第五十页，共83页。2.6采样保持器及其测量方案51第五十一页，共83页。采样/保持器的主要技术指标（1）捕获时间tAC

(2)孔径时间tAP（3）保持建立时间tHS（4）孔径抖动tAJ（5）衰减率2.6采样保持器及其测量方案52第五十二页，共83页。方案1：不带采样/保持器的A/D转换通道对于直流或低频信号，可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。53第五十三页，共83页。模拟输入信号的最大变化率与A/D转换器的转换速率有如下关系：式中：tc为A/D转换器的转换时间；UFS为A/D转换器的满量程电压；n为A/D转换器的位数。

2.6采样保持器及其测量方案54第五十四页，共83页。方案2：带采样/保持器的A/D转换通道

当模拟输入信号变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样/保持器的孔径时间tAp，其关系为2.6采样保持器及其测量方案55第五十五页，共83页。1多通道共享采样/保持与A/D转换器带采样/保持器的A/D通道的形式有三种：特点：分时转换工作方式，也称轮询采样方式2.6采样保持器及其测量方案56第五十六页，共83页。2多通道共享A/D转换器特点：系统可同时采集多路模拟信号同一瞬时的数值，适合于在高频或者瞬态测量中应用。2.6采样保持器及其测量方案57第五十七页，共83页。3多通道并行A/D转换特点：实现了并行采集，适合于高速系统和高频信号的采集。也称同步采样方式。2.6采样保持器及其测量方案58第五十八页，共83页。采样模式总结59第五十九页，共83页。60第六十页，共83页。2.7测量系统的连接方式

接地信号

将信号的一端与系统地

(接大地或建筑物的地等)连接起来，就得到了接地信号。

接地最常见的方法是使用墙上的按地引出线，如信号发生器和电源就是这样接地的。接地信号与数据采集卡是共地的。61第六十一页，共83页。2.7测量系统的连接方式浮动信号一个不与任何地

(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号。浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些能够产生浮动动信号的常见设备有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。62第六十二页，共83页。2.7测量系统的连接方式

(1)差分测量系统在差分测量系统中,信号输入瑞的正负极分别与两个不同的模拟输入

端口相连接，并通过多路开关

(MUX)分别连接到测量放大器

的正负极上。测量系统分类63第六十三页，共83页。单端输入的特点

单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。2.7测量系统的连接方式64第六十四页，共83页。(1)参考地单端测量系统在参考地单端

测量系统中，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。测量系统分类2.7测量系统的连接方式65第六十五页，共83页。(2)非参考地单端测量系统AIENSE是测量的公共参考端。测量系统分类2.7测量系统的连接方式66第六十六页，共83页。选择合适的测量系统带*号的方式为推荐使用方式。一般来说，选择浮动信号和差分连接方式可能较好，但具体选择哪种方式还应根据实际情况而定。2.7测量系统的连接方式67第六十七页，共83页。（1）测量接地信号测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统，将会给测量结果带来较大的误差。如果信号源电压很高，并且信号源和数据采集卡之问的连线阻抗很小，也可以采用RSE系统，因为此接地回路电压相对于信号源电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。2.7测量系统的连接方式68第六十八页，共83页。（2）测量浮动信号可以采用差分、RSE、NRSE等方式来测量浮动信号。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备所允许的范围之内。如果采用差分或NRsE方式测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号的电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，2.7测量系统的连接方式69第六十九页，共83页。一个典型的数据采集设备有模拟输入通道(简称“模入”)、模拟输出通道(简称“模出”)、数字I/O，计数器、计数器等，要实现对数据采集设备的控制必须通过虚拟仪器总线及其接口模块来完成。下面对每一类的基本指标做一介绍。典型的数据采集设备由模拟输入、模拟输出、数字I/O和定时/计数器组成。2.7数据采集设备2.8.1数据采集设备的基本构成及其评价指标70第七十页，共83页。模拟输入的参数选择分辨率输入范围增益采样率噪声抑制分辨率=输入范围/（增益*2^位数）2.7数据采集设备71第七十一页，共83页。模拟输出的功能模拟输出通常为采集系统提供激励信号。输出信号受模数转换器的建立时间、分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢，例如建立时间短的模数转换器可以提供较高的信号。应该根据实际需要考虑模数转换器的参数指标，例如，如果需要用模数转换器的输出信号驱动一个加热器，则不需要使用速度很快的模数转换器，因为加热器的温度本来就难以快速地跟踪电压的变化。2.7数据采集设备72第七十二页，共83页。数字I/O数字输入用于检测数字量、开关量信号；数字输出则用于控制环节。2.7数据采集设备73第七十三页，共83页。触发触发定义：用于启动或者停止一个数据采集的工作。触发信号定义：一般是指能够引起一个操作（如数据采集）的信号。适用场合：用户需要设置开始测量的时刻，可以使用触发信号。2.7数据采集设备74第七十四页，共83页。触发数字-边沿触发：用外部数字脉冲来同步采集操作。数字边沿触发信号通常是一个含有高、低两电平的TTL信号。当数字信号从高电平向低电平跳变时，就产生了一个下降沿；当数字信号从低电平向高电平跳变时，就产生了一个上升沿。2