虚拟仪器的数据采集第十章信号分析与处理.ppt

1、第九章数据采集 9.1 概述,是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。 采样频率、抗混叠滤波器 采样频率:时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t 被称为采样频率，单位是采样数/每秒 . 恩奎斯特频率: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. 混叠 :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 。,第九章数据采集 9. 概述,混频偏差 ：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。计算混频偏差的公式是：混频偏差ABS（采样频率的最近整数倍输入频率） 。见讲义例

2、子图8-3 采样频率的设置 ：理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的倍就够了，实际上工程中选用倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。,第九章数据采集 9.2 数据采集系统的构成,数据采集系统的构成 见图9.1 缓冲（Buffers）：是PC内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等）. 下列情况需要使用Buffer I/O： 需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。 需要连续采集或产生AC数据（10样本秒），并且要同时分析或显示某些数据。 采样周

3、期必须准确、均匀地通过数据样本。,第九章数据采集 9.1 概述,下列情况可以不使用Buffer I/O : 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 需要缩减存储器的开支。 触发（Triggering）:采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。 下列情况使用软件触发： 1、用户需要对所有采集操作有明确的控制 。 2、事件定时不需要非常准确。,第九章数据采集 9.2 数据采集系统的构成,下列情况使用硬件触发： 1、采集事件定时需要非常准确。 2、用户需要削减软件开支。 3、采集事件需要与外部装置同步。 9.3 模入信号类型 模入信号类型: 见图9.2 根

4、据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。 数字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。 模拟信号可分为直流、时域、频域信号 .,第九章数据采集 9.3 模入信号类型,数字信号: 第一类数字信号是开关信号。TTL信号就是一个开关信号 . 第二类数字信号是脉冲信号。包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里 .马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。 模拟直流信号 :模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。,第九章数据采集 9.3 模入信号类型,直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流

5、速、压力、应变等。 模拟时域信号 :在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。 模拟频域信号 :模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。,第九章数据采集 9.4 模入信号的连接方式,模入信号的连接方式 :一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型 . 接地信号和浮动信号 接地信号:接地信号，就是将信号的一端与系统地

6、连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。 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.,第九章数据采集 9.4 模入信号的连接方式,一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。 差分测量系统 :差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。 见图9.3 参考地单端测量系统(RSE):一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。 见图9.4 无参考地单端测量系统(NRSE):在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输

7、入通道，另一端接一个公用参考端，,第九章数据采集 9.4 模入信号的连接方式,但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不 断变化的。 见图9.5 选择合适的测量系统: 1、不论测接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。 2、明确信号源的阻抗，电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上，否则出错。为了更好的测量，输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配。,第九章数据采集 9.5 信号调理,信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等通用功能。 放大 ：微弱信号都要进行放大以提

8、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。 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，避免直接的电连接。隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因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。,第九章数据采集 9. 5 信号调理,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。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。 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。

9、 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。,第九章数据采集 9. 5 信号调理,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。 数字信号调理 ：即使传感器直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其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。,第九章数据采集 9. 6 数据采集(DAQ)卡,数据采集卡的功能 ：模拟输入、模拟输出、数字

10、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，由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量。 模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。,第九章数据采集 9. 6 数据采集(DAQ)卡,数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。重要参数包括：数字口路数、接收 (发送 )率、驱动能力等。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步

11、通信的需要还有“握手”线。 计数器用于定时、产生方波等 ，计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。,第九章数据采集 9. 6 数据采集(DAQ)卡,数据采集卡的软件配置 ：数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。 9. 7多通道的采样方式 多数通用采集卡都有多个模入通道，但是并非每个通道配置一个A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一个多路开关（MUX），以及放大器（AMP）、采样保持器（S/H）等。,第九

12、章数据采集 9. 7多通道的采样方式,多通道的采样方式有三种：循环采样、同步采样和间隔采样。 循环采样是指采集卡使用多路开关以某一时钟频率将多个通道分别接入A/D循环进行采样。见图9.6 同步采样方式:支持这种方式的数据采集卡每个通道使用独立的放大器和S/H电路，经过一个多路开关分别将不同的通道接入A/D进行转换。见图9.7 还有一种数据采集卡，每个通道各有一个独立的A/D，这种数据采集卡的同步性能更好。但是成本显然更高,第九章数据采集 9. 7多通道的采样方式,间隔扫描（interval scanning） 用通道时钟控制通道间的时间间隔，而用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔。通道间

13、的间隔由实际上由采集卡的最高采样速率决定，可能是微秒、甚至纳秒级的，效果接近于同步扫描。间隔扫描适合缓慢变化的信号，比如温度和压力。如图9.8,第九章数据采集 9. 8 LabVIEW数据采集模块的分类,简易模入VIs (Ease Analog VIs) 中级模入VIs (Intermediate Analog Input VIs) 通用模入VIs ( Analog Input Utility VIs) 高级模入VIs ( Advanced Analog Input VIs),第十章 信号处理与分析 10概述,本章将介绍数字信号处理的基本知识，并介绍由上百个数字信号处理和分析的VI构成的Lab

14、VIEW分析软件库。 对于实时分析系统，高速浮点运算和数字信号处理已经变得越来越重要。 通过分析和处理数字信号，可以从噪声中分离出有用的信息，并用比原始数据更全面的表格显示这些信息。 用于测量的虚拟仪器(VI)执行的典型的测量任务有：,第十章 信号处理与分析 10概述,计算信号中存在的总的谐波失真。 决定系统的脉冲响应或传递函数。 估计系统的动态响应参数，例如上升时间、超调量等等 计算信号的幅频特性和相频特性。 估计信号中含有的交流成分和直流成分。 测量的虚拟仪器如下的特性： 输入的时域信号被假定为实数值。 输出数据中包含大小、相位，并且用合适的单位进行了刻度，可用来直接进行图形的绘制。,第十

15、章 信号处理与分析 10概述,计算出来的频谱是单边的（single_sided），范围从直流分量到Nyquist频率(二分之一取样频率)。（即没有负频率出现） 需要时可以使用窗函数，窗是经过刻度地，因此每个窗提供相同的频谱幅度峰值，可以精确地限制信号的幅值。,第十章 信号处理与分析 102LabVIEW中的分析工具,Signal AnalysisExpress VI: Analyze Waveform measurements Waveform Conditioning Waveform Monitoring Waveform Generation Signal Processing (基本函

16、数） Point by Point Mathematics,第十章 信号处理与分析 10. 3 应用举例,信号发生(仿真信号)：主要作用是供给DAC，以发生真正的模拟信号。 例子10-1 ：使用Basic Function Genarator制作函数发生器。 例子10-2： 使用Formula Waveform 制作函数发生器。 频域分析：时域分析工具较少，所以常常把问题转换到频域来处理。基本方法是FFT。 例子10-4：FFT变换（双边和单边） (讲义P5 6.4.1 FFT变换),第十章 信号处理与分析 10. 3 应用举例,谐波失真 ：当一个含有单一频率(比如f1)的信号x(t)通过一个

17、非线性系统时，系统的输出不仅包含输入信号的频率（f1），而且包含谐波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1等等），谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于系统的非线性程度。 谐波失真的总量 ：谐波失真是谐波分量的幅值和基波幅值的相对量。例子9.5(课本P235),第十章 信号处理与分析 10. 3 应用举例,数字滤波：数字滤波器是信号处理的重要内容，在一些方面已经取代模拟滤波器。 数字滤波的优点： 1、可以用软件编程。 2、稳定性高，可预测 3、不会因温度、湿度的影响产生误差，不需要精度组件 。4、很高的性能价格比 。 2类数字滤波器： 无限冲激响应（IIR）或者递归数字滤波器 有限冲激

18、响应（FIR）或者非递归数字滤波器,第十章 信号处理与分析 10. 3 应用举例,如果滤波器的冲激响应在一定时间之后衰减为0，那么这个滤波器被称为有限冲激响应（FIR）滤波器。如果冲激响应一直保持，那么这个滤波器被称为无限冲激响应滤波器（IIR） IIR滤波器和FIR滤波器之间最基本的差别是，对于IIR滤波器，输出只取决于当前和以前的输入值，而对于FIR滤波器，输出不仅取决于当前和以前的输入值，还取决于以前的输出值。简单地说，FIR滤波器需要使用递归算法。 IIR滤波器的缺点是它的相位响应是非线形的。 应用于不需要相位信息的情况 。,第十章 信号处理与分析 10. 3 应用举例,FIR滤波器的递归性增大了它的设计与执行的难度。见例子10.6 (课本P235) 时域分析：Pulse