【正文】 基于 LabVIEW 的先進(jìn)儀器系統(tǒng) 通用信號調(diào)理功能 無論所使用的傳感器或換能器 是什么 類型，適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)設(shè)備可以提高該系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。信號調(diào)理功能對所有類型的信號都非常有用，包括放大，濾波和隔離信號。 擴(kuò)增 不必要的噪音對基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量精度是一場浩劫。信號調(diào)理放大電路，它適用于電腦機(jī)箱外，并靠近信號源 的 增益，可以提高測量的分辨率和有效地減少噪聲的影響。一個放大器，不論位置是直接 接 在 DAQ 板卡或者是基于外部信號條件，都可以在 ADC 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前獲得增益小信號。升壓輸入信號盡可能多的利用 ADC 的輸入范圍。然而，許多傳感器產(chǎn)生的電壓輸出信號是毫伏甚至微伏的量級。這些低級的模擬信號可以直接在 DAQ 板卡放大，也可以從信號導(dǎo)線或電腦機(jī)箱內(nèi)放大任何選擇的噪音信號。當(dāng)輸入信號小到微伏，這個噪聲會淹沒了信號本身， 就會 導(dǎo)致無意義的數(shù)據(jù)。 為減少對信號系統(tǒng)噪聲影響的簡單方法是對盡可能靠近源的信號進(jìn)行放大，在可能會損壞信號 的 噪音進(jìn)入導(dǎo)線或電腦機(jī)箱之前，提高模擬信號的電壓高于噪音信號。例如，一個 J 型熱電偶輸出一個級別非常低的以 50μ V/℃改變電壓值的信號。 過濾和平均 過濾器是用來屏蔽 在一定頻率范圍內(nèi)不必要的噪音。許多系統(tǒng)將展出來自源60Hz 的周期性噪聲等組件作為電源或 動作 。低通濾波器信號調(diào)理電路可以消除不需要的高頻分量。但是，一定要慎重選擇濾波器的帶寬，這樣信號的響應(yīng)時間 可以不受影響。盡管許多信號調(diào)節(jié)器包括低通噪聲濾波器 可 以消除不必要的噪音， 但還要采取 另外的預(yù)防措施 ，即 使用軟件平均法去除額外的噪聲。 軟件平均法是數(shù)字濾波獲取讀數(shù)簡單而有效的方法；對于所需的每個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和平均多個電壓讀數(shù)。例如，一個常見的方法是獲取 100點，為每個需要的測量量取平均值。 隔離 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接地不當(dāng)是測量問題和損壞 DAQ 板卡最常見的原因。隔離信號調(diào)節(jié)器可以通過將信號從源到測量設(shè)備 通過 沒有電或物理連接來防止這些大部分問題。隔離中斷接地環(huán)路，屏蔽高共模電壓，并保護(hù)昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器。對于電路隔離的常用方法包括使用光學(xué)，磁或容性隔離器。磁性和電容隔離調(diào)制信號將電壓轉(zhuǎn)換成頻率。 頻率沒有直接的物理連接傳輸，在不被轉(zhuǎn)換為電壓值之前，可以跨越一個變壓器或電容器。該電壓被稱為普通電壓。如果使用一個單端測量系統(tǒng)，如圖 所示，測得的電壓包括從所需信號， VS，以及來自額外的接地電流系統(tǒng)中 的 共模電壓 VG。 如果一個數(shù)據(jù)采集板 卡在 具有差動輸入的情況下，可屏蔽一些典型地高達(dá)12V 的 共模電壓。然而，更大的地電位差，或接地回路，會損害未受保護(hù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 復(fù)用 信號調(diào)理器配備信號多路復(fù)用器 ， 可以有效地擴(kuò)大輸入 /輸出（ I/ O）的插入式DAQ 板卡的能力。典型的插入式 DAQ 板卡有 816 個模擬輸入和 824的數(shù)字 I / O線。外部多路復(fù)用器可以增加插件板上的 I / O 容量為數(shù)百甚至上千個頻道。 模擬輸入多路復(fù)用器采用固態(tài)繼電器或開關(guān)順序切換，或掃描 。 多路模擬輸入信號 送 到數(shù)據(jù)采集板 卡 的通道。 數(shù)字信號調(diào)理 數(shù)字信號需要信號調(diào)理的外圍設(shè)備直接與 DAQ 板卡連接信號。但在研究和工業(yè)環(huán)境中直接連接不是一個很好的做法，因為大的電壓尖峰或大共模電壓 存在的 可能性， DAQ 板卡沒有某種類型的隔離數(shù)字信號。有些信號調(diào)理模塊和電路板光學(xué)隔離數(shù)字量 I/ O 信號，以消除這些問題。數(shù)字 I/ O 信號可以控制機(jī)電或固態(tài)繼電器切換負(fù)載，如螺線管，照明燈，電動機(jī)，等等。固態(tài)繼電器也可以用來檢測高電壓場信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 脈沖操作 單個脈沖可以被用于樣品的可變電容器，例如在微型計算機(jī)等讀出脈沖，或可 以用于脈沖串。這種方法可以用于更簡單的電子設(shè)備，但將有較高的噪音。 基于 PC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號調(diào)理系統(tǒng) 在本節(jié)討論的信號調(diào)理功能是在產(chǎn)品中實現(xiàn)不同類型信號 的 調(diào)理。這些產(chǎn)品涵蓋了非常廣泛的價值和能力。例如，美國國家儀器公司的 SC207X 系列終端板使用了熱電偶溫度傳感器與易于除去電流測量電阻的絲印組件位置的實驗布線區(qū)，簡單的電阻 電容（ RC）濾波器和其它的信號調(diào)理電路。 信號調(diào)理的 5B 系列 I / O 模塊針對特定類型的傳感器或信號。多達(dá) 16 個 I/ O模塊可以安裝在背板，并直接將模塊連接到插入式 DAQ板卡。對于外部信號復(fù)用， AMUX64T 模擬多路復(fù)用器板擴(kuò)展 I / O 多功能板卡的模擬輸入功能多達(dá) 256個通道。 AMUX64T 還包括一個溫度傳感器和 分量的位置。 SCXI 產(chǎn)品線結(jié)合復(fù)用模塊的信號調(diào)節(jié)的靈活性，可擴(kuò)展性，構(gòu)成是一個信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 SCXI 信號調(diào)理 在 LabVIEW 中，信號調(diào)理擴(kuò)展儀器（ SCXI）是一個信號調(diào)理和前端插入式 DAQ板卡儀器。 SCXI 系統(tǒng)包含的 SCXI 機(jī)箱容納一個或復(fù)用多個信號調(diào)理模塊，放大，隔離 ， 條件模擬和數(shù)字信號。該 SCXI 系統(tǒng)將調(diào)理后的信號通過一個單一的插 入式 DAQ 板直接采集到 PC。各種 SCXI 模塊有不同的信號調(diào)理功能。 例如， SCXI1120 模塊是一個 8 通道隔離放大器模塊。每個輸入通道包括隔離放大器，最高可達(dá) 2,000 的 增益和低通濾波器可配置為 4赫茲或 10kHz 時的增益。 SCXI1121 模塊是一個四通道隔離放大器模塊，也有四個通道激勵。用戶可以為電壓或電流設(shè)定每個激勵通道。該模塊還包括完成應(yīng)變計測量半橋電路。對于 SCXI 模塊接線端子包括熱電偶溫度傳感器冷端補(bǔ)償。 信號調(diào)理連接器（ SCC）系列是一個模塊化便攜式信號調(diào)理系統(tǒng)。 SCC 包括單通道和雙通道信號調(diào) 理模塊，內(nèi)置信號連接器。例如， SCCTC02 提供了放大，濾波，冷端補(bǔ)償和一個方便的迷你熱電偶輸入插頭連接器。 SCC模塊的任意組合可以安裝到一個 SCC 的載體或背板，如 SC2345。 SC2345 最多可容納 18 個 SCC模塊和電纜直接 接 到 E 系列 DAQ 板卡或模塊。 信號調(diào)理是一個完整的基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。連接信號調(diào)理 的 傳感器有許多功能，如熱電偶， RTD，應(yīng)變計和電流輸出設(shè)備到基于 PC的 DAQ 板卡。對于因功能，如放大，隔離和濾波的任何類型的測量中使用的傳感器，信號調(diào)節(jié)提高了測量的準(zhǔn)確度，有效性和 安全性。 NI的 SCXI 產(chǎn)品線可以提供信號調(diào)理和儀器前端所需的基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 模擬到數(shù)字控制器 如果傳感器設(shè)備本身是數(shù)字的 ，那 連接數(shù)字電路來感應(yīng)設(shè)備很簡單。由于其信號的開 /關(guān)性質(zhì)，開關(guān)，繼電器，以及編碼器很容易地與門電路連接。然而，涉及到模擬設(shè)備時，接口變得復(fù)雜得多。以電子設(shè)備將許多模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字（二進(jìn)制），有些結(jié)構(gòu)是必要的，并且反之亦然。一個模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，或 ADC，執(zhí)行前一個任務(wù)的同時數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器，或 DAC，執(zhí)行后者。一個 ADC 輸入一個模擬電信號，例如電壓或電流，并輸出一個 二進(jìn)制數(shù)。以方框圖的形式，它可以表示為如圖 所示。 了解積分型 ADC 積分型 ADC 提供高分辨率的 A / D 轉(zhuǎn)換，具有良好的噪聲抑制。這些 ADC非常適用于數(shù)字化的低帶寬信號，并應(yīng)用在如數(shù)字萬用表和儀表盤的使用。它們通常包括液晶顯示或 LED 驅(qū)動器，可單獨應(yīng)用無微控制器的主機(jī)。以下部分說明集成ADC 的工作方式。討論包括單，雙和多斜率轉(zhuǎn)換。此外， 還會 深入討論分析整合結(jié)構(gòu) 。 最后，對其他 ADC 結(jié)構(gòu)的比較，將有助于對集成 ADC 的理解和選擇。集成的模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）提供高分辨率，并能提供良好的線路 頻率和噪聲抑制。在開始就無處不在的 7106，這些轉(zhuǎn)換已經(jīng)存在了相當(dāng)長的一段時間。積分體系結(jié)構(gòu)提供了一種新穎和簡單的方法，以一個低帶寬的模擬信號變換成它的數(shù)字表示。這些類型的轉(zhuǎn)換器通常包括內(nèi)置驅(qū)動 LCD 或 LED 顯示器 ，并 發(fā)現(xiàn) 被 應(yīng)用在許多便攜式儀器，包括數(shù)字面板表及數(shù)字萬用表。 單斜率 ADC 結(jié)構(gòu) 積分 ADC 最簡單的形式采用單斜率 結(jié)構(gòu) （圖 ， b所示）。這里，一個未知的輸入電壓被集成，其值 與 已知的參考值進(jìn)行比較。積分器跳閘比較器需要的時間與未知電壓（ VINT/ VIN）成正比。在這種情況下，已知的基準(zhǔn)電壓必 須是穩(wěn)定的和精確的，以保證測量的精度。 這種方法 的 一個缺點是，精度也依賴于積分器的 R和 C值的公差。因此，在生產(chǎn)環(huán)境中，每個組件的值略有差異就會改變轉(zhuǎn)換結(jié)果并且非常難以實現(xiàn)測量的可重復(fù)性。為了克服這個敏感的元件值，使用雙斜率積分體系結(jié)構(gòu)。 雙斜率 ADC 結(jié)構(gòu) 雙斜率 ADC（ DSADC）以固定的時間量（ TINT）集成了一個未知的輸入電壓（ VIN），然后使用一個已知的參考電壓（ VREF）“瓦解”（ TDEINT）可變的時間量（ 如 圖 ）。 這種結(jié)構(gòu)相對與單斜率的主要優(yōu)點是，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果是不敏感的元件值誤差。也 就是說，在積分周期內(nèi)，由該組件值引入的任何 誤差 在反積分階段將被消除 了。方程形式為： 從這個等式中，可以發(fā)現(xiàn)，反積分時間正比于 VIN / VREF 之比。雙斜率轉(zhuǎn)換器的完整電路圖如圖 所示。 例如，為獲得 10位分辨率，對 1024（ 210）個時鐘周期進(jìn)行整合，然后分解為 1024 個時鐘周期（給最多兩個 210 個周期的轉(zhuǎn)換）。對于更高的分辨率，增加時鐘周期數(shù)。這種實現(xiàn)轉(zhuǎn)換時間和分辨率之間的折衷是固有的。改變一個給定的分辨率以加快轉(zhuǎn)換時間為中度電路這是可能的。不幸的是，所有轉(zhuǎn)移部分精度的改進(jìn)都是用來 匹配的，外部元件，電荷注入等。換句話說，所有的高速化技術(shù)，有較大的誤差預(yù)算。即使在圖 的簡單轉(zhuǎn)換，也有很多潛在的誤差來源要考慮，如電源抑制（ PSR），共模抑制（ CMR），有限增益，過電壓的擔(dān)憂，集成器飽和，比較器的速度，比較振蕩，“翻轉(zhuǎn)”，介質(zhì)吸收，電容的漏電流，寄生電容，電荷注入等。 多斜率積分 ADC 為雙斜率建筑的分辨率的正常上限 誤差 是基于比較器的速度。對于一個 20 位轉(zhuǎn)換器（部分約 1百萬分之一）和一個 1MHz 時鐘，轉(zhuǎn)換時間將大約 2秒?？吹降恼`差比較斜坡率約 2V/106 被劃分為 1μ s。這大約為 2μ V/μ s。有了這樣一個小的壓擺率，誤差比較將集成了相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其觸發(fā)點。這種過沖（在積分器輸出端測量）被稱為“殘基”，這蠻力的方法是不可能實現(xiàn)一個 20 位的轉(zhuǎn)換器的。 其它的 ADC 結(jié)構(gòu) 本節(jié)的重點是集成 ADC 與一個連續(xù)的近似寄存器（ SAR）和Σ Δ型 ADC。閃 速 和流水線 ADC 結(jié)構(gòu) 將被忽略，因為它們很少（如果有的話）對較慢的速度整合 結(jié)構(gòu)競爭。 連續(xù)與近似寄存器 ADC 無論是 SAR 和整合的 結(jié)構(gòu) 與低帶寬信號的正常工作。該 SAR ADC 具有更大的帶寬范圍，因為他們可以容易的將信號轉(zhuǎn)換速度控制在低 MHz 范圍內(nèi)，而整合 結(jié) 構(gòu) 是有限的，大約 100 個樣本 /s。這兩種體系結(jié)構(gòu)具有低功耗 的特點 。自 SAR ADC在轉(zhuǎn)換之間可以被關(guān)閉，有效的功率消耗類似于集成 ADC（第一順序）。兩個轉(zhuǎn)換器之間最大的區(qū)別是共模抑制和所需的外部元件數(shù)量。因為用戶設(shè)置 了 積分時間，不想要的頻率，比如 50Hz 或 60Hz，可以有效地去除。 此外， SAR ADC 整合以來，基本上是 用 平均的方法，該集成 ADC 通常具有更好的噪聲性能。具有代碼邊緣噪聲和轉(zhuǎn)換雜散噪聲的 SAR ADC 將比集成的 ADC對 SAR ADC 有更加不利的影響。積分 ADC可以輕易轉(zhuǎn)換低電平信號。由于積分器的斜坡是由集成電阻的值設(shè)置，匹配輸入信號范圍的 ADC 是相當(dāng)容易的。大多數(shù)SAR 在 ADC 輸入時會預(yù)期一個大信號。 因此，對于小信號（即毫伏），前端信號調(diào)節(jié)電路是必需的。集成 ADC 需要比 SAR 更多的外部元件。 SAR 通常需要一對旁路電容。集成 ADC需要一個良好的整合和參考電容，也是一個低漂移集成電阻。此外，參考電壓通常是一個非標(biāo)準(zhǔn)的值（如 100 或 ），所以經(jīng)常使用參考電壓分壓器電路。 Σ與Δ ADC Σ Δ ADC 使用過采樣，得到非常高的分辨率。它還允許輸入帶寬在低 MHz 范圍。像集成 ADC，這種 結(jié)構(gòu) 具有優(yōu) 異的線路抑制。它也提供了一個非常低功耗的解決方案，它允許低電平信號被轉(zhuǎn)換。與集成 ADC 不同的是，Σ Δ不需要任何外部元件。此外，由于其是數(shù)字 結(jié)構(gòu) ，它無需微調(diào)或校正。由于過采樣性質(zhì)，而Σ Δ包括一個數(shù)字濾波器的事實，不經(jīng)常需要在前端用一個抗混疊濾波器。 Σ Δ轉(zhuǎn)換器 的 分辨率一般都在 16 位到 24 位 ， 可同時集成針對 12 位至 16位范圍 的 ADC。由于其簡單的結(jié)構(gòu)和它的成熟，集成 ADC 相當(dāng)便宜尤其是在 12位的水平。然而，在 16 位，Σ Δ還提供了一種低成本的解決方案 了解 SAR ADC 逐次逼近寄存器（ SAR） 模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC ）代表大多數(shù) ADC市場中高解析度的 ADC。 SAR ADC 提供了高達(dá) 5MSPS （每秒百萬次采樣）的采樣率 ， 分辨率從 8 到 18 位。 SAR 結(jié)構(gòu) 允許高性能，低功耗 的 ADC， 被打包為小尺寸當(dāng)今要求苛刻的應(yīng)用程序。它還提供了 SAR ADC ，電容 DAC ，也是高速比較器的心臟。 最后，本文