第十二虚拟仪器技术

1、第第1212章章 虚拟仪器技术虚拟仪器技术12.1 12.1 LabVIEW软件的特点软件的特点112.2 12.2 LabVIEW虚拟仪器的创建方法虚拟仪器的创建方法12.3 12.3 数据采集与虚拟仪器数据采集与虚拟仪器312.4 12.4 LabVIEW和和Multisim软件的联合软件的联合42概述概述 虚拟仪器是在虚拟仪器是在2020世纪后期随计算机水平和软世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。虚拟仪器技术突破了传统电子统仪器的新概念。虚拟仪器技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，具有用简单硬件

2、将被仪器以硬件为主体的模式，具有用简单硬件将被测量采集到上位机，然后通过软件设计即可方便测量采集到上位机，然后通过软件设计即可方便灵活地完成对被测试量的分析、判断、显示及数灵活地完成对被测试量的分析、判断、显示及数据存储等功能的特点。软件设计的灵活易变、成据存储等功能的特点。软件设计的灵活易变、成本低等特点使虚拟仪器在测试测量技术中越来越本低等特点使虚拟仪器在测试测量技术中越来越发挥出其优势。发挥出其优势。12.1 12.1 LabVIEWLabVIEW软件的特点软件的特点目前，虚拟仪器的开发工具有目前，虚拟仪器的开发工具有LabVIEWLabVIEW、Lab-Lab-WINDOWSWINDO

3、WS、VBVB等，下面我们主要介绍用等，下面我们主要介绍用NINI公司的公司的Lab-VIEWLab-VIEW软件开发虚拟仪器的方法。本章后面将软件开发虚拟仪器的方法。本章后面将介绍用介绍用LabVIEWLabVIEW同同NINI公司的另一款电路仿真软件公司的另一款电路仿真软件MultisimMultisim进行联合仿真的方法。进行联合仿真的方法。 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench,Instrument Engineer Workbench,实验室虚实验室虚拟仪器

4、工作平台）是美国拟仪器工作平台）是美国NINI公司推出的一种基于公司推出的一种基于GG语言语言(Graphics Language(Graphics Language，图形化编程语言，图形化编程语言) )的具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业的具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。 虚拟仪器的概念是用户在通用计算机平台上，虚拟仪器的概念是用户在通用计算机平台上，在必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务在必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的的需要，通过软件设计来实

5、现和扩展传统仪器的功能。功能。 虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，使得用户可以根据自义、用户无法改变的模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，并可通过修改己的需求，设计自己的仪器系统，并可通过修改软件来改变或增减仪器的功能，真正体现了软件来改变或增减仪器的功能，真正体现了“软软件就是仪器件就是仪器”这一新概念。这一新概念。作为虚拟仪器的开发软件，作为虚拟仪器的开发软件，LabVIEWLabVIEW的特点如下：的特点如下：具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何具有图形化的编程方式，设计者无需编写任何文本格式的代码，

6、是真正的工程师语言。文本格式的代码，是真正的工程师语言。提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数。提供丰富的数据采集，分析及存储的库函数。提供传统的数据调试手段，如设置断点，单步提供传统的数据调试手段，如设置断点，单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式进行，利于设计者观察到程序运行的细节，画式进行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。使程序的调试和开发更为便捷。囊括了囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USBPCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各等各种仪器通信总线标

7、准的所有功能函数，使得不懂种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口得总线标准的开发者也能驱动不同总线标准接口设备与仪器。设备与仪器。提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，如如DLLDLL（动态链接库），（动态链接库），DDEDDE（共享库），（共享库），ActivexActivex等。等。具有强大的具有强大的InternetInternet功能，支持常用的网络协功能，支持常用的网络协议，方便网络，远程测控仪器开发。议，方便网络，远程测控仪器开发。 在测试和测量方面，在测试和测量方面，LabVIEWLabVIE

8、W已经变成了一种已经变成了一种工业的标准开发工具；在过程控制和工厂自动化工业的标准开发工具；在过程控制和工厂自动化应用方面，应用方面，LabVIEWLabVIEW软件非常适用于过程监测和控软件非常适用于过程监测和控制；而在研究和分析方面，制；而在研究和分析方面，LabVIEWLabVIEW软件有力的软软件有力的软件分析库提供了几乎所有经典的信号处理函数和件分析库提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号的分析。大量现代的高级信号的分析。 它内具信号采集、测量分析与数据显示功能，它内具信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体集开发、调试、运行于一体 ，而且，而且Lab

9、VIEWLabVIEW虚拟虚拟仪器程序仪器程序(Virtual Instrument(Virtual Instrument，简称，简称VI)VI)可以非可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以及与大多数集成，与各种主流的现场总线通信以及与大多数通用数据库链接。通用数据库链接。 “软件就是仪器软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本反映了其虚拟仪器技术的本质特征。用质特征。用LabVIEWLabVIEW设计的虚拟仪器可脱离设计的虚拟仪器可脱离LabVIEWLabVIEW开发环境，用户最终看见的是和实际硬件开发环境，用

10、户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作界面。如今虚拟仪器已是现代检仪器相似的操作界面。如今虚拟仪器已是现代检测系统中非常重要的一部分。测系统中非常重要的一部分。12.2 12.2 LabVIEWLabVIEW虚拟仪器的创建方法虚拟仪器的创建方法 LabVIEWLabVIEW与虚拟仪器有着紧密联系，在与虚拟仪器有着紧密联系，在LabVIEWLabVIEW中开发的程序都被称为中开发的程序都被称为VIVI（虚拟仪器），（虚拟仪器），其扩展名默认为其扩展名默认为vivi。所有的。所有的VIVI都包括前面板都包括前面板（Front panelFront panel）、框图（）、框图（Block diag

11、ramBlock diagram）以及）以及图标和连接器窗格（图标和连接器窗格（Icon and connector paneIcon and connector pane）三部分。三部分。 LabVIEWLabVIEW提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板（具模板（Tools PalettesTools Palettes）、控制模板）、控制模板（Controls PalettesControls Palettes）、功能模板）、功能模板（Functions PalettesFunctions Palettes）。）。 具体创建一个具体创建一个VIVI的步骤如下

12、：的步骤如下：从开始菜单中运行已安装的从开始菜单中运行已安装的“National National Instruments Instruments LabviewLabview 8.2” 8.2”，在计算机屏幕上将，在计算机屏幕上将出现如图出现如图12-112-1所示的所示的Getting StartedGetting Started窗口。窗口。 图图12-112-1为为 Getting Started窗口窗口 在在Getting StartedGetting Started窗口左边的窗口左边的FilesFiles控件里，控件里，树形控件用于选择新建文档类型。树形控件用于选择新建文档类型。Bl

13、ank VIBlank VI用于用于建立一个新程序；建立一个新程序；VI from TemplateVI from Template按类型列出按类型列出LabVIEWLabVIEW系统提供的程序模板，用户可以以这些模系统提供的程序模板，用户可以以这些模板为基础，建立自己的程序。当选中一个模板板为基础，建立自己的程序。当选中一个模板VIVI时，时，Fro-Fro-ntnt panel preview panel preview和和Block diagram Block diagram previewpreview子窗口给出其前面板和框图预览。建立一子窗口给出其前面板和框图预览。建立一个新的个新的

14、LabVIEWLabVIEW程序，框图面板和前面板分别如图程序，框图面板和前面板分别如图12-212-2（a a）和（）和（b b）所示。）所示。图图12-212-2（a a）框图面板及函数模板）框图面板及函数模板图图12-212-2（b b）前面板及控件模板）前面板及控件模板在前面板上放置设计要求的仪器图形。前面板在前面板上放置设计要求的仪器图形。前面板上有交互式的输入和输出两类图形，分别称为上有交互式的输入和输出两类图形，分别称为Contr-olContr-ol（控制器）和（控制器）和IndicatorIndicator（指示器）。（指示器）。ControlControl包括开关、旋钮、按

15、钮和其他各种输入设包括开关、旋钮、按钮和其他各种输入设备；备；Indic-Indic-atorator包括图形（包括图形（GraphGraph和和ChartChart）、）、LEDLED和其他显示输出对象。和其他显示输出对象。在框图窗口中放置编程需要的功能函数模块，在框图窗口中放置编程需要的功能函数模块，并根据编程要求连接前面板控件、指示器在框图并根据编程要求连接前面板控件、指示器在框图窗口中的相应图标和功能函数模块图标。在框图窗口中的相应图标和功能函数模块图标。在框图中对中对VIVI编程的主要工作就是从前面板上的输入控编程的主要工作就是从前面板上的输入控件获得件获得 用户输入信息，然后进行计

16、算和处理，最后在用户输入信息，然后进行计算和处理，最后在输出控件中把处理结果反馈给用户。框图上的编输出控件中把处理结果反馈给用户。框图上的编程元素除了包括于前面板上的程元素除了包括于前面板上的ControlControl和和IndicatorIndicator对应的连线端子（对应的连线端子（TerminalTerminal）外，还有）外，还有函数、子函数、子VIVI、常量、结构和连线等。、常量、结构和连线等。当框图程序编译通过后，在前面板调节各控件当框图程序编译通过后，在前面板调节各控件与指示器位置，并使界面美化。图与指示器位置，并使界面美化。图12-312-3为控制模为控制模板下板下Mo-M

17、o-derndernDecorationsDecorations子模板。该模板提供制子模板。该模板提供制作美观界面的装饰元素。同时可点右键打开前面作美观界面的装饰元素。同时可点右键打开前面板各模块的属性，修改颜色及其他设置。板各模块的属性，修改颜色及其他设置。图图12-3 修饰子模块修饰子模块 定义图标与连接器完成子程序流程框图的编程定义图标与连接器完成子程序流程框图的编程后，需要定义连接器，以便在子后，需要定义连接器，以便在子VIVI调用时方便连调用时方便连接端口。图标和连接器指定了数据流入流出接端口。图标和连接器指定了数据流入流出VIVI的的路径。路径。VIVI是分层次和模块化的，可将作为

18、顶层程是分层次和模块化的，可将作为顶层程序，也可将其作为其他程序的子程序。图标是子序，也可将其作为其他程序的子程序。图标是子VIVI在程序图上的图形化表示，而连接器定义了子在程序图上的图形化表示，而连接器定义了子VIVI和主调程序之间的参数形式和接口。和主调程序之间的参数形式和接口。 VIVI图标的修改可通过双击图标，在图图标的修改可通过双击图标，在图12-412-4的的编辑窗口下自定义图标。编辑窗口下自定义图标。图图12-4 12-4 图标编辑图标编辑 定义连接器是用鼠标右键单击前面板窗口中定义连接器是用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在图的图标窗格，在图12-512-5快捷菜单中选择快

19、捷菜单中选择Show Show ConnectorConnector，连接器窗格会取代前面板窗口右上角，连接器窗格会取代前面板窗口右上角的图标，如图的图标，如图12-612-6所示。所示。图图12-5 12-5 定义连接器下拉菜单图定义连接器下拉菜单图 图图12-6 12-6 连接器窗格图连接器窗格图 在第一次打开一个在第一次打开一个VIVI连接器窗格时，连接器窗格时，LabVIEWLabVIEW将自动根据当前前面板上控制器和指示器的个数将自动根据当前前面板上控制器和指示器的个数和选择一个合适的连接器模式，自动选择的连接和选择一个合适的连接器模式，自动选择的连接器模式中表示连接端子的格子数目数

20、不小于控制器模式中表示连接端子的格子数目数不小于控制器和指示器的总数目。当然，也可以根据器和指示器的总数目。当然，也可以根据LabVIEW8.2LabVIEW8.2自带的一些模型（自带的一些模型（patternspatterns）手动增）手动增加连接的端子，在右上角右键点击连接器，在弹加连接的端子，在右上角右键点击连接器，在弹出的窗口中即可选择模型。出的窗口中即可选择模型。 接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。若把鼠标指针放在连接器的某个未的端子关联。若把鼠标指针放在连接器的某个未连接的端子（白色）上，则鼠标指针自动变换为连接的端子（白色）上

21、，则鼠标指针自动变换为连接工具样式。单击选中端子，端子变为黑色。连接工具样式。单击选中端子，端子变为黑色。然后单击前面板的控件，控件周围出现的虚线框然后单击前面板的控件，控件周围出现的虚线框表示控件处于选中状态，同时连接器端子变为选表示控件处于选中状态，同时连接器端子变为选中数据类型对应的颜色，表示关联过程完成，如中数据类型对应的颜色，表示关联过程完成，如图图12-712-7。图图12-7 12-7 连接器和显示器件关联连接器和显示器件关联 如果白色连接器的端子没有变为所关联控件如果白色连接器的端子没有变为所关联控件数据类型对应的颜色，则表明关联失败，可重复数据类型对应的颜色，则表明关联失败，

22、可重复以上过程，直至关联成功。如果关联了错误的控以上过程，直至关联成功。如果关联了错误的控件，可以在连接器端子上单击鼠标右键，选择断件，可以在连接器端子上单击鼠标右键，选择断开连接，然后重新指定。一般习惯把控制器连接开连接，然后重新指定。一般习惯把控制器连接到连接器窗口左边的端子上，把指示器连接到连到连接器窗口左边的端子上，把指示器连接到连接器窗口有边的端子上。接器窗口有边的端子上。12.3 12.3 数据采集与虚拟仪器数据采集与虚拟仪器12.3.1 12.3.1 数据采集基础数据采集基础1 1）数据采样原理）数据采样原理 当虚拟仪器的实际输入是由硬件电路输出的当虚拟仪器的实际输入是由硬件电路

23、输出的模拟或数字信号，我们需要数据采集卡进行信号模拟或数字信号，我们需要数据采集卡进行信号的获取，对于某些信号，还需在的获取，对于某些信号，还需在LabVIEWLabVIEW中编程实中编程实现信号的滤波、去噪等处理，下面将逐步介绍这现信号的滤波、去噪等处理，下面将逐步介绍这些内容。些内容。 假设现在对一个模拟信号假设现在对一个模拟信号x(tx(t) ) 每隔每隔tt时间时间采样一次。时间间隔采样一次。时间间隔tt被称为采样间隔或者采样被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数周期。它的倒数1/t 1/t 被称为采样频率，单位是被称为采样频率，单位是采样数采样数/ /每秒。每秒。t=0, t=0, t

24、t ,2t ,3t ,2t ,3t 等等，等等，x(tx(t) )的数值就被称为采样值。所有的数值就被称为采样值。所有x(0),x(t),x(2t )x(0),x(t),x(2t )都是采样值。这样信号都是采样值。这样信号x(tx(t) )可以用一组分散的采样值来表示。图可以用一组分散的采样值来表示。图12-812-8显示了显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是tt，注意，采样点在时域上是分散的。，注意，采样点在时域上是分散的。图图12-8 12-8 模拟信号和采样显示模拟信号和采样显示 如果对信号如果对信号x(tx(t) )采集采集N N个

25、采样点，那么个采样点，那么x(tx(t) )就就可以用下面这个数列表示：可以用下面这个数列表示： 这个数列被称为信号这个数列被称为信号x(tx(t) )的数字化显示或者的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或索引，而不含有任何关于采样率（或tt）的信息。）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(tx(t) )的频率。的频率。Xx(0),x(1),x(2),.,x(N

26、 1) 根据采样定理，最低采样频率必须是信号频根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那率的两倍。反过来说，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，信号将号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图12-912-9显示了显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采

27、样的结果。行采样的结果。 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上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去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（aliasalias）。出现的混频偏差（）。出现的混频偏差（alias frequencyalias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的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。的绝对值。12-912-9（a a）足够的采样率下的采样结果）足够的采样率下的采样结果12-912-9（b b）过低采样率下的采样结果）过低采样率下的采样结果 图图12-10给出了一个例子。假设采样频率给

28、出了一个例子。假设采样频率 fs 是是100HZ,信号中含有信号中含有25 、70、160、和、和 510 Hz的成分。的成分。图图12-10 12-10 说明混叠的例子说明混叠的例子 采样的结果将会是低于奈奎斯特频率采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hzfs/2=50 Hz）的信号可以被正确采样。而频率）的信号可以被正确采样。而频率高于高于50H50HZ Z的信号成分采样时会发生畸变，分别产生的信号成分采样时会发生畸变，分别产生了了3030、4040和和10 Hz10 Hz的畸变频率的畸变频率F F2 2、F F3 3和和F F4 4。计算混。计算混频偏差的公式是：频偏差的公

29、式是： 混频偏差混频偏差| |采样频率的最近整数倍采样频率的最近整数倍- -输入频率输入频率| |例如：例如： 混频偏差混频偏差 F F2 2 = |100 70| = 30 Hz= |100 70| = 30 Hz 混频偏差混频偏差F F3 3 = |2 = |2100 160| = 40 Hz100 160| = 40 Hz 混频偏差混频偏差F F4 4 = |5 = |5100 510| = 10 Hz100 510| = 10 Hz 为了避免这种情况的发生，通常在信号被采为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（集（A/DA/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中）之前，经过一个低通滤

30、波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图12-1012-10的的例子中，这个滤波器的截止频率自然是例子中，这个滤波器的截止频率自然是25H25HZ Z。这个。这个滤波器称为抗混叠滤波器。滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。会导致没有足够的内存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理论上设置采样

31、频率为被采集信号最高频率成分的倍就够了，实际上工程中选用的倍就够了，实际上工程中选用1515倍，有倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如例如FFTFFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5 51010个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，本总数是整周期个数的。这里又发生一

32、个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数仅是一个时间序列的离散的函数x(nx(n) )和采样频率。和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。这是我们测量与分析的唯一依据。2 2）采集卡基础）采集卡基础 板卡上和内存中的板卡上和内存中的BufferBuffer是数据采集存储的是数据采集存储的中间环节。数据采集卡采集到的信号在中间环节。数据采集卡采集

33、到的信号在PCPC机中用机中用LabVIEWLabVIEW软件作各种处理，以实现设计功能。软件作各种处理，以实现设计功能。图图12-11 12-11 数据采集的结构数据采集的结构 NI PCI 6013/6014 NI PCI 6013/6014 器件是器件是PCI PCI 的高性能、多的高性能、多功能模拟、数字及定时功能模拟、数字及定时I/O I/O 器件。器件。NI 6014NI 6014有有1616个个1616位模拟输入通道位模拟输入通道 (AI)(AI)、2 2个个1616位的模拟输出通位的模拟输出通道道(AO)(AO)，和，和8 8个数字个数字I/O (DIO)I/O (DIO)口。

34、口。NI 6013 NI 6013 与与NI NI 60146014是基本一样，但是基本一样，但60136013没有模拟输出通道。没有模拟输出通道。NI NI 6013/6014 6013/6014 使用使用NI NI 数据采集系统定时控制器数据采集系统定时控制器(DAQ-STC) (DAQ-STC) 满足与时间相关的函数的要求。满足与时间相关的函数的要求。 DAQ-DAQ-STC STC 包含包含3 3个定时组，用以控制个定时组，用以控制AIAI、AOAO和多态计数和多态计数器器/ /定时器函数。这些组总计包含定时器函数。这些组总计包含7 7个个2424位和位和3 3个个1616位的计数器和

35、一个最大时间分辨率为位的计数器和一个最大时间分辨率为50 ns50 ns的定时的定时器。器。DAQ-STC DAQ-STC 使得诸如缓冲脉冲发生器、等时采使得诸如缓冲脉冲发生器、等时采样和无缝隙采样率转换的应用成为可能。样和无缝隙采样率转换的应用成为可能。 当设计当设计NI DAQ NI DAQ 硬件时，无论在硬件时，无论在NINI应用开发环应用开发环境境 (ADE)(ADE)或其它或其它ADEsADEs开发环境中，都使用开发环境中，都使用 NI-DAQNI-DAQ。工作于工作于NI 6013/6014NI 6013/6014的的NI-DAQNI-DAQ有一个丰富的函数有一个丰富的函数库，此函

36、数库可从库，此函数库可从ADEADE调用。这些函数允许你使用调用。这些函数允许你使用NI 6013/6014NI 6013/6014的所用特性。的所用特性。 NI-DAQ NI-DAQ 可实现许多复杂的交互操作，诸如计可实现许多复杂的交互操作，诸如计算机和算机和DAQDAQ硬件之间的设计中断。硬件之间的设计中断。NI-DAQ NI-DAQ 在不同在不同版本的软件界面保持一致，这使得当改变版本时，版本的软件界面保持一致，这使得当改变版本时，可对其进行最少的改动，即可使用。可对其进行最少的改动，即可使用。12.3.2 12.3.2 模拟输入信号源类型模拟输入信号源类型 当进行信号连接时，设计者必须

37、首先确定信当进行信号连接时，设计者必须首先确定信号源是浮动信号，还是接地信号。接下来的部分号源是浮动信号，还是接地信号。接下来的部分将对这两种信号进行描述。将对这两种信号进行描述。1) 1) 浮动信号源浮动信号源 浮动信号源不以任何形式与建筑物地相连接，浮动信号源不以任何形式与建筑物地相连接，但是，它有一个孤立的地参考点。浮动信号源常但是，它有一个孤立的地参考点。浮动信号源常见的例子有变压器的输出、热电偶的输出、电池见的例子有变压器的输出、热电偶的输出、电池器件的输出、光隔离器的输出及隔离放大器的输器件的输出、光隔离器的输出及隔离放大器的输出等等出等等。 有孤立输出端的设备或器件就可认为是浮动

38、有孤立输出端的设备或器件就可认为是浮动信号源。设计者必须将输出端的参考地与信号源。设计者必须将输出端的参考地与NI NI 6013/6014 6013/6014 模拟地端相连接，用以为信号建立局模拟地端相连接，用以为信号建立局部或电路板的参考地。否则，测量的输入信号将部或电路板的参考地。否则，测量的输入信号将随着电源的浮动而漂移出正常模式下的输入范围。随着电源的浮动而漂移出正常模式下的输入范围。2) 2) 接地信号源接地信号源 接地信号源即电源以某种方式连接到建筑物接地信号源即电源以某种方式连接到建筑物地，非孤立输出端的设备或器件（已连接到电源地，非孤立输出端的设备或器件（已连接到电源系统）就

39、可认为是接地信号源。连接到同一个接系统）就可认为是接地信号源。连接到同一个接地系统地两个设备之间的地电势通常在地系统地两个设备之间的地电势通常在1 1100 mV100 mV，但是，如果电源分配电路未恰当的连接，则这一但是，如果电源分配电路未恰当的连接，则这一地电势的值会更大。如果接地信号源被错误的测地电势的值会更大。如果接地信号源被错误的测量，这一差值会作为测量误差出现。接地信号源量，这一差值会作为测量误差出现。接地信号源的连接说明，用以消除来自测量信号的地电势的的连接说明，用以消除来自测量信号的地电势的差值。差值。12.3.3 12.3.3 模拟输入模拟输入/ /输出信号的连接输出信号的连

40、接1 1）模拟输入信号的连接）模拟输入信号的连接 接下来的部分将对信号单端测量、差分测量接下来的部分将对信号单端测量、差分测量的使用进行阐述，并对浮动信号源的测量和接地的使用进行阐述，并对浮动信号源的测量和接地信号源的测量给出如下建议。表信号源的测量给出如下建议。表12-1 12-1 总结了两种总结了两种信号源类型的推荐输入连接方式。图中信号源类型的推荐输入连接方式。图中AIGNTAIGNT为模为模拟接地端，拟接地端，AISENSEAISENSE为模拟输入参考端。为模拟输入参考端。表表12-1 12-1 信号的连接方信号的连接方式式输入输入输入输入浮动信号源（不连接到建筑物地）浮动信号源（不连

41、接到建筑物地） 例子：例子：未接地的热电偶未接地的热电偶孤立输入的信号孤立输入的信号电池器件电池器件 接地信号源接地信号源 例子：例子：非独立输出的插拔非独立输出的插拔设备设备 注：接下表信号的连接方式注：接下表信号的连接方式差分差分方式方式(DIFF)(DIFF)参考地参考地单端单端（RSERSE） 非参考非参考单端方单端方式式(NRS(NRSE E) ) 注意：注意：NI6013/6014NI6013/6014只有只有DIFFDIFF和和NRSENRSE两种模拟两种模拟输入模式。可依据对输入模式。可依据对NI6013/6014NI6013/6014的不同配置模式，的不同配置模式，如如NRS

42、ENRSE或或DIFF DIFF 模式，用不同的方式使用模式，用不同的方式使用NI6013/6014NI6013/6014内部放大器。内部放大器。 注意：在单端模式下，注意：在单端模式下，AIGND AIGND 不连接到不连接到PGIAPGIA（P-P-rogrammablerogrammable Gain Instrumentation Gain Instrumentation AmplifierAmplifier）的负的输入端，除非在有外部接线将）的负的输入端，除非在有外部接线将其连接到其连接到AISEN-SEAISEN-SE端。端。差分连接差分连接 所谓差分连接即信号有其自己的参考信号或

43、所谓差分连接即信号有其自己的参考信号或信号返回路径。在信号返回路径。在DIFFDIFF模式下，模式下，AIAI通道是成对的，通道是成对的，即即ACHACH i 作为信号输入端，而作为信号输入端，而ACHACH+8作为信号作为信号参考端。例如，参考端。例如，ACH0ACH0与与ACH8ACH8为一对差分信号，为一对差分信号，ACH1ACH1与与ACH9ACH9为一对差分信号，依次类推。输入信为一对差分信号，依次类推。输入信号连接到上表图中仪用放大的正极，参考信号或号连接到上表图中仪用放大的正极，参考信号或回路信号连接到应用放大的负极。回路信号连接到应用放大的负极。 当配置某一通道为当配置某一通道

44、为DIFFDIFF模式后，每一个信号模式后，每一个信号使用多路复用器的两个输入端使用多路复用器的两个输入端一端接信号，另一端接信号，另一端接参考信号。一端接参考信号。 因此，当每一个通达配置为差因此，当每一个通达配置为差分方式，则有分方式，则有8 8路路AI AI 通道是可用的。差分信号连通道是可用的。差分信号连接降低了噪声的影响，增加了共模抑制比。在以接降低了噪声的影响，增加了共模抑制比。在以下情形下，应使用下情形下，应使用DIFFDIFF输入连接方式：输入连接方式：输入信号为低电平输入信号为低电平( (小于小于1 V)1 V)；将信号连接到器件的导线长度大于将信号连接到器件的导线长度大于3

45、 m (10 ft)3 m (10 ft)；输入信号要求使用独立的参考地或独立的返回信号；输入信号要求使用独立的参考地或独立的返回信号；信号导线处于有噪声的环境。信号导线处于有噪声的环境。图图12-12 12-12 参考地信号的差分输入连接参考地信号的差分输入连接图图12-1212-12与与12-1312-13出示了如何将各种信号连接到配置为出示了如何将各种信号连接到配置为DIFFDIFF输入模输入模式的器件的通道上。在图式的器件的通道上。在图12-1212-12的连接方式下，采集卡内的连接方式下，采集卡内PGIAPGIA可抑可抑制信号的共模噪声和不同信号源和器件地之间的地电势，如图中所制信号

46、的共模噪声和不同信号源和器件地之间的地电势，如图中所示的示的UcmUcm。图图12-13 12-13 浮动信号的差分输入连接浮动信号的差分输入连接 图图12-1312-13出示了浮动信号源导线中两个平行连接到电路的偏差出示了浮动信号源导线中两个平行连接到电路的偏差电阻。如果不使用这一电阻，电源不可能保持在电阻。如果不使用这一电阻，电源不可能保持在PGIAPGIA的共模信号范的共模信号范围内，仪用放大逐渐趋于饱和，从而产生不正确的输出结果。围内，仪用放大逐渐趋于饱和，从而产生不正确的输出结果。 接入电源必须参考接入电源必须参考AIGNDAIGND。最简单的方法为：。最简单的方法为：将信号的正极连

47、接到将信号的正极连接到PGIAPGIA的正极输入端，将信号的正极输入端，将信号的负极连接到的负极连接到AIGNDAIGND，同时连接到，同时连接到PGIAPGIA的负极输入的负极输入端，而无须增加任何电阻。这种连接方式适用于端，而无须增加任何电阻。这种连接方式适用于低电源阻抗（小于低电源阻抗（小于100100）的）的DC-DC-耦合电源。耦合电源。 然而，对于较大电源阻抗的状况，这种连接然而，对于较大电源阻抗的状况，这种连接方式使得差分信号路径出现明显的不平衡。正极方式使得差分信号路径出现明显的不平衡。正极线上的静电噪声与负极线上的静电噪声不发生耦线上的静电噪声与负极线上的静电噪声不发生耦合，

48、因为它们都被连接到地。因此，噪声是以差合，因为它们都被连接到地。因此，噪声是以差分模式出现的，而不是以共模方式出现，并且分模式出现的，而不是以共模方式出现，并且PGIAPGIA不对其进行抑制。在这种状况下，不直接连不对其进行抑制。在这种状况下，不直接连接负极线到接负极线到AIGNDAIGND，而是通过电阻（大约为电源阻，而是通过电阻（大约为电源阻抗的抗的100100倍）连接到倍）连接到AIGNDAIGND。这一电阻使得信号通。这一电阻使得信号通路基本平衡，路基本平衡， 因此，当同样大小的噪声连接到线因此，当同样大小的噪声连接到线路中时，将会有更好的抗静电耦合噪声作用。同路中时，将会有更好的抗静

49、电耦合噪声作用。同时，这一结构不会使电源负载过大时，这一结构不会使电源负载过大( (除了会引起除了会引起PGIAPGIA的高输入阻抗的高输入阻抗) )。 通过在正极输入端和通过在正极输入端和AIGNDAIGND之间连接相同阻值之间连接相同阻值的电阻，可使得信号通路完全的平衡，如图的电阻，可使得信号通路完全的平衡，如图12-1312-13所示。这种完全的平衡结构提供较好的抗噪声性所示。这种完全的平衡结构提供较好的抗噪声性能，但是，由于两个电阻的串联，增加了电源负能，但是，由于两个电阻的串联，增加了电源负载。如果，例如，电源阻抗为载。如果，例如，电源阻抗为2 k2 k，则两个电阻，则两个电阻中都为

50、中都为100 k100 k，则电阻使电源的负载增加，则电阻使电源的负载增加200 k200 k，并产生并产生1%1%增益误差。增益误差。 PGIAPGIA的两个输入端要求与地之间有一条的两个输入端要求与地之间有一条DCDC通通道，用以使道，用以使PGIAPGIA正常工作。如果电源为正常工作。如果电源为AC AC coupled (coupled (电容耦合电容耦合) )，则，则PGIAPGIA需要在正极输入端需要在正极输入端和和AIGND AIGND 之间连接一个电阻。如果电源为低阻抗之间连接一个电阻。如果电源为低阻抗型，则需选择一个电阻，此电阻不能太大，以免型，则需选择一个电阻，此电阻不能太

51、大，以免增加电源负荷，同时也不能太小，以免产生明显增加电源负荷，同时也不能太小，以免产生明显的输入偏移电压，从而导致产生输入偏差电流的输入偏移电压，从而导致产生输入偏差电流( (通通常为常为100 k100 k到到1 M)1 M)。在这样的状况下，可直接将。在这样的状况下，可直接将负极输入端与负极输入端与AIGNDAIGND连接起来。如果电源具有高输连接起来。如果电源具有高输出阻抗特性，则应该按照以前的方法，在正极输出阻抗特性，则应该按照以前的方法，在正极输入端和负极输入端使用阻值相同的电阻来平衡信入端和负极输入端使用阻值相同的电阻来平衡信号通路。同时应该意识到存在来自电源负载的增号通路。同时

52、应该意识到存在来自电源负载的增益误差。益误差。单端连接单端连接 单端连接即采集卡的模拟输入信号参考公共单端连接即采集卡的模拟输入信号参考公共地（与其它输入信号共享一个地）地（与其它输入信号共享一个地）, ,单端又可分为单端又可分为RSERSE和和NRSENRSE两种模式。输入信号连接到放大器的正两种模式。输入信号连接到放大器的正极，公共地使用极，公共地使用AISENSEAISENSE连接到放大器的负极。当连接到放大器的负极。当每一通道都被配置为单端输入方式，则共有每一通道都被配置为单端输入方式，则共有1616路路通道可用。符合以下情形的信号，可使用单端输通道可用。符合以下情形的信号，可使用单端

53、输入连接方式：入连接方式：输入为高电平输入为高电平( (高于高于1 V)1 V)；连接信号到器件的导线长度小于连接信号到器件的导线长度小于3 m (10 ft)3 m (10 ft)；输入信号可与其它信号共享一个公共参考地。输入信号可与其它信号共享一个公共参考地。 NRSENRSE模式是模式是NI 6013/6014NI 6013/6014器件支持的唯一的器件支持的唯一的一种信号单端连接方式。对于浮动信号源和接地一种信号单端连接方式。对于浮动信号源和接地信号源，信号源，AISENSEAISENSE的连接方式不同。的连接方式不同。 对于浮动信对于浮动信号源，号源，AISENSE AISENSE

54、直接连接到直接连接到AIGNDAIGND，并且，并且NI NI 6013/6014 6013/6014 为外部信号提供参考接地点。对于接为外部信号提供参考接地点。对于接地信号源，地信号源，AISENSEAISENSE被连接到外部信号参考接地点，被连接到外部信号参考接地点，用于预防电流回流和测量误差。用于预防电流回流和测量误差。 在单端结构下，信号接线当中存在比差分结在单端结构下，信号接线当中存在比差分结构中更多的静电耦合噪声和磁耦合噪声。耦合是构中更多的静电耦合噪声和磁耦合噪声。耦合是由于信号通路中的差值引起。磁耦合噪声与两个由于信号通路中的差值引起。磁耦合噪声与两个信号导线间的距离成比例。静

55、电耦合噪声是两导信号导线间的距离成比例。静电耦合噪声是两导线之间电位差的函数。线之间电位差的函数。 图图12-1412-14所示为如何连接一个浮动信号源到采所示为如何连接一个浮动信号源到采集卡，通道配置为集卡，通道配置为NRSENRSE输入模式的情况。输入模式的情况。 图图12-14 12-14 非参考或浮动信号的单端连接非参考或浮动信号的单端连接 当测量一个单端结构的接地信号源时，必须当测量一个单端结构的接地信号源时，必须将采集卡配置为将采集卡配置为NRSE NRSE 输入模式。然后将信号连接输入模式。然后将信号连接到放大器的正极输入端，并将信号的局部参考地到放大器的正极输入端，并将信号的局

56、部参考地连接到放大器的负极输入端。因此，信号接地点连接到放大器的负极输入端。因此，信号接地点应连接到应连接到AISENSEAISENSE引脚。器件地与信号地之间的容引脚。器件地与信号地之间的容差在放大器正极输入端和负极输入端以共模信号差在放大器正极输入端和负极输入端以共模信号的形式出现，并且这一差值被放大器所抑制。如的形式出现，并且这一差值被放大器所抑制。如果在这种情形下，将果在这种情形下，将AISENSEAISENSE连接到连接到AIGNDAIGND，则地，则地电势的容差在标准电压中以误差出现。电势的容差在标准电压中以误差出现。 图图12-1512-15为如何连接一个接地信号源到为如何连接一

57、个接地信号源到NI6013/6014NI6013/6014上的配置为上的配置为NRSE NRSE 模式的通道上。模式的通道上。 图图12-15 12-15 参考地信号的单端连接参考地信号的单端连接 图图12-1212-12和和12-1512-15出示了与出示了与NI6013/6014NI6013/6014参考同参考同一个接地点的信号源的连接。在这些情形下，一个接地点的信号源的连接。在这些情形下，PGIAPGIA可抑制任何由信号源和器件之间接地容差引可抑制任何由信号源和器件之间接地容差引起的电压。此外，在差分输入连接方式下，起的电压。此外，在差分输入连接方式下，PGIAPGIA可抑制由连接信号源

58、和器件之间的导线引起的共可抑制由连接信号源和器件之间的导线引起的共模噪声。模噪声。PGIAPGIA也可抑制也可抑制Vin+Vin+和和Vin (Vin (输入信号输入信号) )与与AIGNDAIGND之间的压差在之间的压差在11 V11 V内的共模信号。内的共模信号。2 2）模拟输出信号的连接）模拟输出信号的连接 NI6014NI6014有模拟信号输出端。图有模拟信号输出端。图12-1612-16是如何连接是如何连接AOAO信信号到号到NI 6014NI 6014。图中。图中DAC0OUT DAC0OUT 是是AO channel 0AO channel 0的电压输出的电压输出信号端。信号端。

59、DAC1OUTDAC1OUT是是AO channel 1AO channel 1的电压输出信号端。的电压输出信号端。AOGND AOGND 是是AOAO两个通道及外部参考信号的接地参考端。两个通道及外部参考信号的接地参考端。图图12-16 12-16 模拟输出连接模拟输出连接12.3.4 12.3.4 数字输入数字输入/ /输出信号的连接输出信号的连接 DIO DIO组成了组成了DIODIO端口，端口，DGNDDGND为为DIODIO端口的端口的接地参考信号。可对所有的数字信号线进行独立接地参考信号。可对所有的数字信号线进行独立编程，确定其输入和输出属性。图编程，确定其输入和输出属性。图12-

60、1712-17为将为将DIO DIO 配置为数字输入端口，将配置为数字输入端口，将DIODIO配配置为数字输出端口的示例。数字输入的应用包括置为数字输出端口的示例。数字输入的应用包括接收接收TTLTTL信号和检测外部器件的状态，诸如图信号和检测外部器件的状态，诸如图12-12-1717所示的开关的状态。数字输出的应用包括发送所示的开关的状态。数字输出的应用包括发送TTLTTL信号和驱动外部器件，如图信号和驱动外部器件，如图12-1712-17所示的驱动所示的驱动LEDLED。图图12-17 DIO12-17 DIO信号的连接应用信号的连接应用1 1）电源连接）电源连接 I/O I/O 连接器上