数据采控及计算机接口实验实验报告

数据采控及计算机接口实验实验报告一、实验目的1．数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业自、动化领域广泛存在的实际任务，其中数据采集又是测试信号从模拟信号变成计算机能够接受和处理的数字信号的过程，是计算机与外部物理世界联系的桥梁。通过本实验不但可以使学生了解现代测试系统中数据采集的一般方法，也可以使学生对数据采控系统工作原理有一定的认识。2．熟悉以计算机为核心的数据采集系统的实物构成，包括：〔1〕由PC机、ISA总线A/D板卡、外接端子板组成的数据采集系统〔2〕由PC机、PCI总线A/D板卡、外接端子板组成的数据采集系统3．LabVIEW既是实验室虚拟仪器集成环境，也是目前应用最广、开展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。在本实验中通过LabVIEW编程和使用DAQ〔DataAcquisition〕板卡进行数据采集，使学生了解虚拟仪器和G语言编程的一般知识，并初步掌握LabVIEW程序在DAQ中的应用。4．进一步理解采样定理的意义，利用数据采集系统软硬件验证采样定理。数据处理是数据采集的关键内容之一，是将原始数据转换为所需数据进行分析的重要步骤，通过实验可使学生明确数据处理的根本方法及其系统的组成和工作原理。二、实验内容及根本原理本实验内容主要包括以下几个局部：1、 利用LabVIEW和DAQ数据采集卡进行模拟信号的数据采集自动数据采集/处理系统由计算机和各种电子测量、记录仪器组成。被测参数由传感器变换为相应的电压或脉冲信号后，输入测试系统。电压或脉冲信号经调理、采样至转换器，将电压或脉冲转换为数字量，存入计算机的存贮器内。当每次输入数据采样完成后，对于不需要计算处理的数据，将其从存贮器中取出，由打印机打印输出。对于需要计算处理的数据，按预先编制好的程序进行运算，运算结果由打印机打印输出或由绘图仪绘出曲线，以供实验人员分析、判断，确定下一步试验的进程，这大大缩短了试验研究的周期，节省了能源的消耗。对数据采集板卡来说，模数转换芯片是其最关键的器件。模数转换通常简写成A/D变换〔Analog-Digital〕。模数转换的输入信号是在时间上和幅度上都是连续变化的模拟信号，输出信号是在时间上和幅度上都是离散的数字信号，从连续信号到离散信号的变换过程可以看成是采样和量化的过程。图1A/D转换的采样过程描述模拟信号的一个数据采集过程可以用图2表示。其中数据采集卡即Device1，数据采集卡通过多路开关、A/D转换芯片和数据缓存(Buffer)几个部件将多通道的模拟信号转换成数字信号并存储在其缓存中，而计算机通过LabVIEW中的数据采集子VI对数据采集卡中的几个部件的动作进行控制，数据采集卡和计算机之间通过计算机总线实现通信，交换数据和控制信息。图2模拟信号的数据采集过程2、采样定理验证实验:如图1所示可以描述采样过程，M(t)是一个模拟信号，采样脉冲信号在一系列离散的时刻翻开采样开关，对M(t)进行采样，于是得到采样信号Ms(t)。Ms(t)是一系列脉冲信号，在采样期间Ms(t)=M(t)，在其它时间Ms(t)=0。采样信号Ms(t)必须能真实反映M(t)的变化情况，也就是说Ms(t)经过一个适当的低通滤波器，能被复原出信号M(t)的原始形状，图1(a)中的M(t)就是一个被复原的信号。为了到达这个目的，必须保证有足够高的采样频率，必须大于模拟信号M(t)的最高频率的两倍即：其中：---采样开关的采样频率---连续信号频谱中的最高频率这就是采样定理，通常选择采样频率时取5—10倍连续信号的最大频率，工程上有时为了更好的复原被采样信号，甚至取更高倍数。实验中，信号源产生周期性信号，计算机通过A/D板将信号采集入内存，通过软件示波器显示出来，调整采样频率，可以得到不同的采样结果，以波形图直观显示出来。由此，可考察波形失真程度，以验证采样定理。3、了解LabVIEW软件的强大数据控制和处理功能，以及网络发布功能。三、实验使用的仪器设备及实验装置NIUSB-6008数据采集卡装有LabVIEW8.5软件的计算机一台信号发生器一台示波器一台NIUSB-6008专用USB电缆信号发生器信号输出电缆基于LabVIEW的信号测试系统主要包括信号发生器、DAQ数据采集卡和计算机软件三局部组成。A/D数据采集采用美国NI公司的USB-6008型多功能数据采集卡和LabVIEW8.5软件。将USB-6008数据采集卡插到实验计算机一个空闲的USB口上，安装其驱动程序NI-DAQmx。接好USB的数据线，以及连接信号发生器的一条数据电缆。由信号发生器产生正弦波信号，模拟传感器产生的物理电信号，将电信号通过数据线接入数据采集卡，再通过装有LabVIEW8.5软件的效劳器对正弦信号进行采集，通过改变采样频率，重新进行数据采集。每组学生分别将自己采集到的数据在本机通过“软件示波器”进行观察，并与实验室中的示波器上的波形进行比对〔此示波器已经与信号发生器的信号相连〕，观察是否有波形失真现象发生，体会采样定理。实验的根本框架如下列图所示：采集卡和NI-DAQmx以及LabVIEW软件的层次关系图4NIUSB-6008接线定义四、具体实验步骤安装LabVIEW8.5软件，以及NIUSB6008-DAQmx采集卡驱动程序。安装数据采集卡，在NI-DAQmx中对数据采集卡进行配置，设置USB-6008设备号为：Device1，信号输入方式为单端输入，数据输入通道为AI0。以上两步由教师提前完成，课上留一套系统指导学生进行安装配置。将信号输出电缆一端与信号发生器输出端相连，另一端与数据采集卡USB-6008的1、2端口〔2端口是AI0，1端口是地〕相连，采集卡与计算机采用专用的USB线连接。同时将信号输出电缆分出一组信号与示波器连接。设置信号发生器的频率为10赫兹，信号类型为正弦波。熟悉LabVIEW开发环境，了解工具模板〔ToolsPalette〕、前面板、控件模板〔ControlsPalette〕、程序框图和函数模板〔FunctionsPalette〕的概念和各自的用途，并熟悉函数模板〔FunctionsPalette〕中与数据采集相关的控件与设置项〔在Functions—AllFunctions—NIMeasurements—DAQmx-DataAcquisition中〕。本步由学生在实验课前完成。编制数据采集和显示软件〔由老师编制，学生操作，课后学习理解〕。应用该软件进行波形数据采集并存储，采样频率分别设为10赫兹、20赫兹、50赫兹、100赫兹、200赫兹和300赫兹，分别记录下波形数据文件。将波形数据文件通过本机的软件示波器进行回放，观察并记录波形变化，并与实验室的信号发生器上显示的信号实际波形比照，体验采样定理。五、实验结果与分析实验结果：各个采样频率下的波形图10Hz当采样频率和信号频率相同时，采样得到的数据为一条直线，这是因为当两个频率相同时，每个采样点采到的数据都是每个周期上同相位上的点，其幅值都相同，那么得到的数据就是一条直线。20Hz当采样频率为20Hz，即信号频率的两倍，根据奈奎斯特采样频率定理，此采样频率是能够恢复原始信号的最低频率，但复原出的波形存在严重的失真，是一个三角波，而不是原始信号正弦波。50HZ100Hz200Hz300Hz随着采样频率的增加可以观察到波形失真度越来越小，当采样频率为300Hz时，复原出来的信号根本上就是一个正弦波。实验数据分析：本实验可以验证奈奎斯特采样频率定理，通过对实验数据的分析可以得知：当采样频率和信号频率相同时，采样得到的数据为一条直线，当采样频率为20Hz，即信号频率的两倍，复原出的波形存在严重的失真，是一个三角波，而不是原始信号正弦波。随着采样频率的增加可以观察到波形失真度越来越小，当采样频率为300Hz时，复原出来的信号根本上就是一个正弦波。但在采集过程中，得到的数据幅值均偏小，与原信号幅值不同。可能是由于存在衰减造成的。问题与思考采样定理的定义是什么？为了到达恢复原始信号的