虚拟仪器实用编程技术 教学课件 作者童刚 第9章 数据采集.ppt

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1、第9章数据采集主要学习内容1．熟悉信号和数据采集的一些基本知识。2．熟悉LabVIEW中DAQ库，重点掌握模拟输入和模拟输出模块及其应用。9.1.1信号类型（1）数字信号（2）模拟直流信号（3）模拟时域信号（4）模拟频域信号信号的分类9.1.2采样频率、抗混叠滤波器和样本数根据采样定理，采样频率必须是采集信号最高频率的两倍以上。如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。下图显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行

2、采样的结果。（a）足够的采样率下的采样结果（b）过低样率下的采样结果采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（aliasing）。出现的混频偏差（aliasingfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。给出了一个例子。假设采样频率fs是100Hz，信号中含有25、70、160和510Hz的成分。说明混叠的例子那么低于奈奎斯特频率即fs/2=50Hz的信号可以被正确采样。而频率高于50Hz的信号成分被采样时会发生畸变，分别产生了30HZ、40HZ和10Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频

3、偏差的公式是：混频偏差＝abs（采样频率的最近整数倍－输入频率）其中abs表示对括号中的值取绝对值为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（即A/D转换）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去，这种滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设置呢？通常用户可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率，但是，长时间使用很高的采样频率可能会导致内存不足或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的２倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。样本数的要求对样本数又有一定的要求，一般不能只提供一

4、个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的数据样本，而且希望所提供的样本总数是整周期个数。这样可能产生一个问题，有时并不知道或不确切知道被采样信号的频率，因此不但采样频率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证是整周期数的样本。所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率，这是测量与分析的惟一依据。9.1.3数据采集系统构成工程上使用具有PCI、PXI、USB、并口以及串口的计算机来获取测试数据，称为基于PC的DAQ系统。这种系统一般有两种方案：一种是通过插入式的DAQ卡直接获取数据传输给计算机；另外一种是由计算机外部的DAQ硬件获取测试

5、数据，然后通过各种总线，例如并口或者串口，传输给计算机。基于PC的DAQ系统包含以下基本要素：①个人计算机（PC）；②传感器；③信号调理装置；④DAQ设备；⑤数据处理及驱动程序等软件基于PC的DAQ系统DAQ设备与计算机相连的整体系统框图9.1.4信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。（1）放大：微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。（2）隔离：隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连

6、接。(使用隔离的原因有两个：一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。)（3）滤波：滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。并且为了滤除信号中最高频率以上的频率信号，还需要抗混叠滤波器。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。（4）激励：信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。（5）线性化：许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出

7、信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。（6）数字信号调理：即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理。调理的作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。9.1.5数据采集(DAQ)卡及其配置（1）数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开

8、关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现。通过这些部分，