第6章虚拟仪器数据采集与信号处理.ppt

第6章,虚拟仪器的数据采集与信号处理,第6章虚拟仪器的数据采集技术,教学重点数据采集及其硬件结构LabVIEW中数据采集VI设计信号分析与处理,6.1数据采集及其硬件结构,数据采集（DataAcquisition，DAQ），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。,数据采集系统的结构图,6.1.1模数转换的基本原理,一个完整的A/D转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。,其中fs为采样频率，fi(max)为信号ui中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。,工程上，采样频率通常取fs=(3-5)fi(max),1.采样定理,2.采样保持电路,采样保持电路的电路结构图,模拟信号的采样,3.量化与编码,为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。,量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。,6.1.2模数转换芯片的几种类型及其选用,直接型A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。,间接A/D转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T或频率F，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。,6.1.3数据采集卡的选用,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/输出,数字输入/输出,时钟输入/输出,ADC,cntr/timer,digital,DAQBoard,选用数据采集卡的基本原则,（1）数据分辨率和精度；（2）最高采样速度；（3）通道数；（4）数据总线接口类型；（5）是否有隔离；（6）支持的软件驱动程序及其软件平台。,数据采集卡接口类型,PCI总线数据采集卡,基于USB总线的数据采集卡,NI的数据采集卡,6.2LabVIEW中的数据采集VI及应用,数据采集系统结构,6.2.1NI数据采集卡介绍,B系列多功能DAQS系列同步采样多功能DAQ全功能型E系列多功能DAQ多功能M系列DAQ,数据采集卡硬件连接,接线端子和电缆,NI6251卡连接方法,6.2.2NI数据采集卡的安装与测试,在安装数据采集卡前，要先安装驱动软件，及安装产品附带的NI-DAQmx。,安装目录如图,数据采集卡的安装,NI6251DAQ数据采集卡插入计算机后，在Measurement&AutomationExplorer中就可找到NI6251DAQ数据采集卡。,数据采集卡的测试,在Measurement&AutomationExplorer的下拉菜单中，可利用Self-Test，TestPanels对采集卡进行自检，面板测试等操作。,6.2.3NI数据采集卡的应用举例,模拟输入：AI0AI7（14位、48KS/s采样速度)模拟输出：AO0AO1(14位)数字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定时/计数器：PFI0(32位),NIUSB-6009的接线端子,1.利用DAQ助手构建采集VI,程序框图,运行结果,2.利用NI-DAQmx采集函数实现数据采集,DAQmx-DataAcquisition子选板,创建采集通道配置实时数据采集为数据采集任务配置触发源用以触发数据采集开始数据采集从通道读取数据向通道写数据等待数据采集完毕停止数据采集清除数据采集任务,（1）构建单通道数据采集系统,利用LabVIEW8.2的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数构建一个单通道的数据采集系统。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数实现,单通道数据采集VI,前面板,程序框图,（2）构建多通道数据采集系统,利用LabVIEW8.2的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数构建一个多通道的数据采集系统。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数实现,多通道数据采集VI,3.工程实战,霍尔元件传感器,调理电路,6009数据采集模块,基于LabVIEW计数信号采集与控制平台的构建,霍尔元件传感器,典型的线性型霍尔器件H03,调理电路原理图,霍尔元件H03的管脚3输出的交流电压脉冲信号，通过C0601耦合到OP07的输入端，经OP07放大后，送至LM393电压比较器，将模拟信号转换为输出信号，送至DAQ6009的计数通道。,计数器数据采集与控制程序,前面板,程序框图,6.3信号产生,信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。,最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。,6.3.1数字化频率,T为采样间隔，T为信号周期，n为设一个周期内的采样点数，则T=nT,设采样频率：fs=1/T,而信号频率：fx=1/T=1/(nT)=fS/n,数字化频率：f=fx/fs=1/n即数字化频率=信号频率/采样频率,离散正弦信号：,6.3.2信号生成,信号生成子选板,1.正弦波生成,SineWave.vi,正弦波函数的等效数学运算式如下：SineWavei=amplitudesin（360fi+phase0）,SineWave.vi应用举例,例6.1利用SineWave.vi产生正弦波,前面板,程序框图,简单函数发生器,例6.2创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的函数发生器。,6.3.3波形生成,在波形生成子选板中的所有函数不仅输出包含指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在LabVIEW中称为波形数据,波形生成函数的应用举例,例6.3使用基本函数发生器创建函数发生器,前面板,程序框图,多频信号的产生与应用,多频信号是指一个离散频率的正弦波集合，其模拟信号数学表达式为：,式中，Ai：第i个正弦波的幅值i：基频角频率hi：第i个正弦波的角频倍数i：第i个正弦波的初相角,例6.4多频信号发生器,前面板,程序框图,6.4信号的时域分析,时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号作用下，其输出信号随时间的变化情况；,信号的时域描述:以时间为独立变量，描述信号随时间的变化特征，反映信号幅值随时间变化的关系；,优点:形象、直观；缺点:不能明显揭示信号的内在结构。,信号的时域分析举例一相关分析,所谓“相关”是指变量之间的线性关系；相关性是指信号的相似和关联程度，相关分析不仅可用于确定性信号，也可用于随机信号的检测、识别和提取等；相关分析常用相关函数（自相关函数和互相关函数）或相关系数来描述；相关函数和功率谱(密度)是一对傅立叶变换。,相关函数,相关函数序列,自相关函数：反映了信号在时移中的相关性；,互相关函数：反映了两个信号在时移中的相关性。,相关分析工程应用实例,自相关分析：机械加工表面粗糙度,互相关分析：地下输油管道漏损位置的探测,将两拾音器测得的音响信号x1(t)和x2(t)进行互相关分析，找出互相关值最大处的延时，即可由确定油管破损位置。,LabVIEW中的相关分析函数,AutoCorrelation.vi,CrossCorrelation.vi,例6.5互相关运算,前面板,程序框图,6.5信号的频域分析,频域分析是采用傅立叶变换将时域信号X(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。,时域-频域关系的建立,时域信号x(t)的傅里叶变换为:,例如，50Hz正弦波信号x(t)=10sin(2*50*t),其频谱函数为,转换过程如图所示:,频域分析应用描述,信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。,6.5.1LabVIEW中的FFT实现,傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。,FFT.vi,例6.6双边傅里叶变换,前面板,程序框图,频率间隔与采样频率和采样点数的关系,例6.7单边傅里叶变换,前面板,程序框图,6.5.2频谱分析,频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。内容包括:,频谱分析：包括幅值谱和相位谱、实部频谱和虚部频谱；功率谱分析：包括自谱和互谱；频率响应函数分析：系统输出信号与输入信号频谱之比；相干函数分析：系统输入信号与输出信号之间谱的相关程度。,频谱分析的应用,频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。,频谱分析中应注意的问题（1）频谱混叠（2）栅栏效应、泄漏效应,（1）幅度谱和相位谱,LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的幅度谱和相位谱函数AmplitudeandPhaseSpectrum.vi的图标及端口如图所示。,等效数学运算式公式：,例6.8幅度谱分析,前面板,程序框图,（2）自功率谱,LabVIEW8.2中，用于计算输入序列的单边自功率谱函数AutoPowerSpectrum.vi的图标及端口如图所示。,等效数学运算式公式,例6.9自功率谱分析,前面板,程序框图,6.5.3谐波分析,谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高次谐波。在频域分析中以电压为例，将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数:,畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量THD表示:,例6.10谐波分析,前面板,程序框图,6.6数字滤波器,数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的；数字滤波器分为无限冲激响应滤波器IIR有限冲激响应滤波器FIR,特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功能强。,调用数字滤波器子程序应注意的问题,1)滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波器中选择一个类型；2)截止频率确定:对低通只需确定上截止频率，高通滤波器只需确定下截止频率，对带通及带阻滤波器应确定上、下限截止频率；3)采样频率设定；4)滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快；5)纹波幅度。,数字滤波器应用举例,例6.11使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号,6.7曲线拟合,概述相关物理量近似函数表达式描述y=f(x，a，b，)曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，通过这些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。曲线拟合的算法称为最小二乘法。误差被定义为：e(a)=f(x,a)-y(x)2y(x)是实测数据，f(x，a)是由一组实验数据估计出来的回归方程式，a是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。离散系统：f表示拟合数据，y表示实测数据，n表示采样点数。,1.LabVIEW中曲线拟合类型,LabVIEW的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，如：线性拟合把实验数据拟合为y=mx+c直线形式：yi=a0+a1*xi指数拟合把数据拟合为y=a*exp(bx)指数曲线:yi=a0*exp(a1*Xi)多项式拟合把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲线：yi=a0+a1*Xi+a2*xi2通用线性拟合将数据拟合为下述形式：yi=a0+a1*f1(Xi)+a2*f2(Xi),2.曲线拟合应用,曲线拟合的实际应用很广泛，例如：1）消除测量噪声；2）填充丢失的采样点（例如，如果一个或者多个采样点丢失或者记录不正确）；3）插值（对采样点之间的数据的估计；例如在采样点之间的时间差距不够大时）；4）外推（对采样范围之外的数据进行估计，例如在需要在试验以后或者以后的数值时）；5）数据