《LabVIEW 程序设计教程》课件第8章 数据采集系统设计基础

第8章数据采集系统设计基础8.1NI数据采集系统基本组成8.2信号类型8.3数据采集设备与指标8.4模拟测试信号的连接8.5数字信号连接8.6数据采集卡PCI-62218.1NI数据采集系统基本组成一个完整的数据采集系统通常由传感器、信号调理设备、数据采集设备和计算机四个部分组成，如图所示。基于LabVIEW的数据采集应用所使用的软件主要分为三类：（1）驱动软件；（2）NI-MAX；（3）应用软件。8.2信号类型8.2.1数字信号8.2.2模拟信号8.2信号类型

任意一个信号，都可以简单地概括为一个随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所蕴含的信息是很广泛的，如状态、速率、电平、形状、频率等。根据不同类型的信号按照不同的方式传递信息，可以将信号分为数字信号和模拟信号，如图所示。8.2.1数字信号1、开关信号

开关信号（例如，晶体管-晶体管逻辑（TTL）兼容信号）只有两个离散电平：高电平（开）和低电平（关）。TTL信号就是一个开关信号，TTL兼容信号具有下列特性，如图。

0V至0.8V之间定义为逻辑低

2V至5V之间定义为逻辑高

最大上升/下降时间=50ns2．脉冲序列信号脉冲序列信号包含一系列状态转换，信息就包含在状态转换发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。如，安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲序列信号。实际应用中，有时装置需要数字输入，比如一个步进马达就需要一系列的数字脉冲信号输入来控制位置和速率。8.2.2模拟信号1．模拟直流信号

模拟直流信号可以是静止的信号或者是变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内蕴涵的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。2．模拟时域信号

模拟时域信号所蕴涵的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说在测量一个波形时，需要关心一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。3．模拟频域信号模拟频域信号与模拟时域信号类似，但是，从频域信号中提取的信息是基于信号频域内容的，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。8.3数据采集设备与指标8.3.1数据采集设备8.3.2数据采集设备主要性能指标8.3数据采集设备与指标8.3.1数据采集设备

常用的虚拟仪器硬件的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：1．插卡型数据采集设备2．并行口式数据采集设备3．GPIB总线方式数据采集设备4．VXI总线方式数据采集设备5．PXI总线方式数据采集设备在选择或使用数据采集设备时需要考虑通道数、采样率、分辨率、输入电压范围、精度、稳定时间等技术指标。1．通道数各种型号的数据采集设备的模拟量输入/输出通道数和数字量输入/输出通道数各不相同，在选用采集卡时可根据实际应用的需求查阅相关公司的产品手册或咨询相关技术销售人员，选择通道数足够价位适中的产品。2．采样率又称为系统通过速率、吞吐率等，是指在满足系统精度指标前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。8.3.2数据采集设备主要性能指标3．分辨率分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位值(LSB)占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。表8-1给出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率。4．输入电压范围输入电压范围是指数据采集卡能正确检测输入电压的范围，也是该范围下的满程输入电压。大多数数据采集卡上带有程控放大电路，因此大多数数据采集卡的输入电压有很多档。就像万用表一样，具有不同的测量量程。只不过一般数据采集卡的输入电压范围是可以用计算机软件控制的，而普通万用表的量程要用手动开关来实现。5．精度精度是指数据采集卡在满量程范围内任意一点的输出值相对于其理想值之间的偏离程度。数据采集卡的精度受卡上放大倍数的影响比较大，一般厂商给出的数据采集卡的精度指标都很高，12位A\D采集卡的精度在满程输入电压（FSR）的0.01%+1LSB，但在实际检测过程中，受到很多因素，特别是外部电磁干扰信号，电源干扰和传感器噪声等影响因素的限制，检测的精度往往达不到这样的水平。因此在考虑精度是否符合要求时，应考虑采集卡使用的环境等的影响。6．稳定时间稳定时间是指放大器、继电器、或其它电路达到工作稳定模式所需要的时间。稳定时间通常由电压上的满量程变化来规定。8.4模拟测试信号的连接8.4.1信号的连接8.4.2信号的测量系统类型8.4.3模拟输入连接8.4.4模拟输出信号连接在实际测试过程中，根据信号接入具体数据采集设备的参考点的不同，可将信号的连接分为接地连接和浮动连接两种，如图8-5所示。8.4.1信号的连接8.4.2信号的测量系统类型对于大多数模拟输入设备而言，根据信号连接方式的不同，信号的测量系统可分为：差分测量系统、单端测量系统和伪差分测量系统。1．差分测量系统在差分测量系统中，信号的正、负极分别接入两个不同的输入通道，所有的输入信号均有各自的参考点。2．单端测量系统

尽管差分测量系统是一种比较理想的选择，但是单端测量系统却可以使用两倍的测量通道。单端测量系统分为参考单端测量系统（ReferencedSingle-Ended，RSE）和非参考单端测量系统（Non-ReferencedSingle-Ended，NRSE）。在单端测量系统中，所有的信号都参考一个公共参考点（即仪器放大器的负极）。

（3）伪差分测量系统伪差分测量系统具有差分输入通道和参考单端（RSE）输入通道的某些特点。与差分输入通道类似，伪差分测量系统的通道包含正极和负极。正极和负极分别连接至待测单元的输出。负极输入通过相对较小的阻抗（如图8-9中为Z1）与系统接地相连，负极输入和接地间的阻抗包含阻性和容性组件。输入通道的正极和负极之间存在较大的阻抗（Z输入）。8.4.3模拟输入连接8.4.4模拟输出信号连接不同的设备、接线盒或信号调理模块使用不同的连线方式。NI设备通常的模拟输出信号连接如图8-10所示，需要将输出正端接AOx，负端接AOGND。8.5数字信号连接不同的设备包含不同数量的数字线。图8-11所示为三种常见DIO应用的信号连接。P0<0..3>用于数字输入，P0<4..7>用于数字输出。针对系统级的数据采集应用项目，NI提供了三大平台：PXI、CompactDAQ、以及CompactRIO平台。除此以外，NI还提供基于其它标准总线接口的数据采集模块，比如PCI数据采集卡，它直接插入计算机的PCI插槽使用。基于Wi-Fi的无线传输数据采集模块等等。可以灵活地满足不同的数据采集应用的需求。8.6数据采集卡PCI-6221在选定了系统平台和传输总线的基础上，进行数据采集卡选型时需要重点考虑如下几个参数。（1）通道数目，能否满足应用需要；（2）待测信号的幅度是否在数据采集板卡的信号幅度范围以内；（3）采样率和分辨率也是非常重要的两个参数。采样率决定了数据采集卡的ADC每秒钟进行模数转换的次数。采样率越高，给定时间内采集到的数据越多，就能越好地反应原始信号。根据奈奎斯特采样定理，要在频域还原信号，采样率至少是信号最高频率的2倍；而要在时域还原信号，则采样率至少应该是信号最高频率的5~10倍。思考题8-1若采样一个在80~120mV之间变化的信号，数据采集卡的量程可以设为0~10V、±10V和±5V。如果采集的分辨率为12位，则应如何选择量程以获取最大测量精度？8-2根据信号连接方式的不同，信号的测量系统可分哪几种，有何区别？