【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 (2) 隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因 :一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。 (3) 濾波 濾波的目的是消除噪音信號(hào)，提高 輸入信號(hào)的信噪比。噪音濾波器通常用于直流信號(hào) 。交流信號(hào)通常需要抗失真的低通濾波器，因?yàn)檫@樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號(hào)。 (4) 激勵(lì) 由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。 (5) 線性化 很多傳感器對(duì)被測(cè)量都有非線性響應(yīng)，因而需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行線性化。 3 數(shù)據(jù)采集硬件 數(shù)據(jù)采集硬件與眾多因素有關(guān)，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，下面是通用的特征 : (1) 采樣頻率 采樣頻率高，就能在一定時(shí)間內(nèi)獲得更多的原始信息，見圖 4一 1(a)所示。為了再現(xiàn)原始信號(hào)，必須有足夠高的采樣頻率。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見圖 4 一 1(b)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。 (2) 采樣方法 要從多個(gè)通道得到數(shù)據(jù)，通常使用多路開關(guān)把每個(gè)信號(hào)端連接到 A/D轉(zhuǎn)化器(ADC)。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個(gè)通道一個(gè)放大器和 ADC 要經(jīng)濟(jì)得多，但這僅僅實(shí)用于在采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必 須同時(shí)采樣。對(duì)于低頻信號(hào)，可以用間隔掃描辦法來(lái)產(chǎn)生同時(shí)采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。這種方法一定時(shí)間間隔掃描輸入通道，用脈 9 沖來(lái)計(jì)算各通道兩次掃描的時(shí)間間隔。 (3) 分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成 2’ (8 位 )段，每段用二進(jìn)制代碼在 000 到 In 之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果增加?16 位，代碼增加到 655536，這樣就可以得到較為精確地反映原始信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。 (4) 電壓范圍 電壓范圍指 ADC 能掃描到最高 和最低電壓。一般情況下，由于 DAQ 卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號(hào)電壓范圍調(diào)到與微機(jī)相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示 ILSB。例如，某 DAQ 板的分辨率為 16 位，范圍取 0 一 1OV，增益取 100，則有 1LSB=(10/100xZ’ 6)= 協(xié) v，這樣一來(lái)，在數(shù)字化的過成中，一位的分辨率為。 (5) 模擬輸出 模擬輸出電路通常是為 DAQ 板的系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓或電流。 DAQ輸出信號(hào)由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值 改變的快慢。 (6) 定時(shí) I/0 許多場(chǎng)合都要用到定時(shí)器，如數(shù)字脈沖定時(shí)、產(chǎn)生方波等。定時(shí)器包括三個(gè)重要信息 :門限信號(hào)、計(jì)時(shí)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)一使它工作或不工作 。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。他們最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率。高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)輸入的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)得越快，因而輸入端的信號(hào)頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。 4 驅(qū)動(dòng)軟件 沒有軟件，甚至沒有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系 統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個(gè)主要方面是驅(qū)動(dòng)軟件的使用。驅(qū)動(dòng)軟件是直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計(jì)算機(jī)資源的組合，比如 CPU中斷、 DMA 傳送、存儲(chǔ)器等。驅(qū)動(dòng)軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時(shí)，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件及程序設(shè)計(jì)。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，當(dāng)然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)采集部分正確工作，整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)才能正確工作。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DAS(DataAequisitionSyst。 m)是信息科學(xué)的重要分支，它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是過程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。它所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此輸入的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量化 :，變成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開關(guān)、采樣 /保持器、放大 器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過采樣和量化兩個(gè)必要步驟。采樣過程是將被測(cè)的連續(xù)信號(hào)離散化，從連續(xù)信號(hào)中抽取采樣時(shí)刻的信號(hào)值，由多路開關(guān)、采樣 /保持器完成。如果被測(cè)信號(hào)變化緩慢，也可以不用采樣 /保持器。多路開關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端，對(duì) 10 各路信號(hào)分時(shí)采樣。 A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣信號(hào)量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中。放大器、濾波器可根據(jù)被測(cè)信號(hào)的大小及干擾的強(qiáng)弱選用。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)單獨(dú)配置。 。 。 。 圖 31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 采樣 /保持器的工作原理 在實(shí)際系統(tǒng)中用到 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，如果模擬信號(hào)變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前加上采樣 /保持電路，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號(hào)保持不變。采樣 /保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。在采樣方式下，采樣 /保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓 :在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令結(jié)束為止。圖 4 一 3 為采樣 /保持器的原理電路。從圖中可以看到，采樣 /保持 器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持電容和控制開關(guān)組成。 圖 32 采樣 /保持器 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中，被測(cè)量經(jīng)常是幾個(gè)或者幾十個(gè)，為了降低成本和減小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣 /保持器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分時(shí)的與這些公用器件連通。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) 放大器 采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 計(jì)算機(jī) 11 圖 33 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 為了滿足不同需要，現(xiàn)己開發(fā)出各種集成模擬開關(guān)，按輸入信號(hào)的連接方式可以分為單端輸入和差動(dòng)輸入。圖 4一 4為 LF13508 單端 8通道多路模擬開關(guān)原理框圖，它有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端 口。 三個(gè)二進(jìn)制控制信號(hào)經(jīng)過三八譯碼器后，選擇 5158個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端 D接通。 EN 為使能端，當(dāng) EN=0 時(shí)，通道斷開，禁止模擬量輸入 。當(dāng) EN=1 時(shí)，通道接通，允許控制輸入端選中的模擬量輸入，并和輸出通道相連。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)不止八路，因此需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通到擴(kuò)展，以滿足要求。 圖 34 數(shù)據(jù)采集卡 12 圖 35 數(shù)據(jù)采集卡布局圖 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來(lái)的一種具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。正是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、量化采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入，使其對(duì)于各類簡(jiǎn)單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析復(fù)現(xiàn)都非常有效，在各行各業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。一般測(cè)試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。虛擬儀器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分可以由硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)這一思路， 本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對(duì)輸入信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，可以實(shí)現(xiàn)單、雙信道顯示波形，并可以對(duì)波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。時(shí)基控制主要控制采集掃描數(shù)據(jù)的掃描率、信道掃描次數(shù) (取樣數(shù) )。觸發(fā)控制包括觸發(fā)電平控制、觸發(fā)模式等 。信道控制主要控制單信道或雙信道測(cè)量 。其中，參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。頻譜分析模塊采用 FFT算法，完成頻域信號(hào)分析。由于 LabVIEW 是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想， 因此在開發(fā)過程中也是基本上遵循著這一基本思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調(diào)試。根據(jù)虛擬示波器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下模塊 : (1) 數(shù)據(jù)采集 :主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)備號(hào)、通道選擇控制、采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等，另外選擇采集的波形類型。 (2) 波形顯示 :對(duì)采集到的波形進(jìn)行觸發(fā)控制和時(shí)基控制后再顯示波形，可 13 以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對(duì)波形運(yùn)算后的輸出顯示，有 :A、 B、 A+B、A一 B、 Aamp。B、 XY、 Aamp。A 積分以及 Aamp。A 微分模式。 (3) 參數(shù)測(cè)量 :完 成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能。 (4) 頻譜分析 :利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。 (5) 結(jié)果整形、打印、保存模塊 :讀取已存在文件中的波形數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前的波形參數(shù)寫到文檔中，打印波形。 系統(tǒng)總體流程圖 圖 41 系統(tǒng)總體流程圖 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí) 現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個(gè)功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，即可調(diào)用該子程序。 本系統(tǒng)包括了 27個(gè)控件，其中輸入控件 12個(gè)，顯示控件 15 個(gè)。通過信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波形等。枚舉 1控制是輸入原信號(hào)還是輸入已經(jīng)存儲(chǔ)的波形信號(hào)。當(dāng)選擇原信號(hào)時(shí)，由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形，此時(shí)通過對(duì)存儲(chǔ)開關(guān)的關(guān)與開，可以確定是否要記錄正在發(fā)生的波形。枚舉 2控制著系統(tǒng)的三個(gè)不同的功能模塊，即實(shí)時(shí)顯示，頻譜分析和參數(shù)測(cè)量模塊。通過在這個(gè)枚舉的三個(gè)選擇項(xiàng)之間切 換，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。顯示控件主要是對(duì)所測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行顯示，包括有波形的頻率，峰峰值，占空比等。而顯示屏則實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同信號(hào)的顯示，是用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)果最直觀的觀察方式。 14 圖 42 系統(tǒng)總體前面板 圖 43 系統(tǒng)總體程序框圖 利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。 LabVIEW 中列有各種數(shù)字濾波器，這些數(shù) 字濾波器都可以直接調(diào)用而用考慮它的內(nèi)部設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用巴特沃思濾波器。該節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及 4種濾波器類型 (低通、高通、帶通和帶阻 )的選擇。其中低通截止頻率的設(shè)置必須滿足采樣定理規(guī)則，截止頻率不能高于采樣頻率的一半。濾波模塊的前面板如圖 15 圖 44 濾波器前面板 圖 45 濾波器程序框圖 波形存儲(chǔ)和回放模塊波形存儲(chǔ)功能主要適用于因特殊原因不能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)對(duì)以后的研究具有重要的參考價(jià)值的場(chǎng)合，我們?cè)趯?shí)際實(shí)驗(yàn)中，需要先把數(shù)據(jù)保 存下來(lái)，日后再將原保存的數(shù)據(jù)文件讀取出來(lái)，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)就和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，頻譜分析等。在本文用Labview 實(shí)現(xiàn)的虛擬示波器中，當(dāng)用軟件完成數(shù)據(jù)采集、處理等工作后，可以將采集到數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)回放出來(lái)，以便繼續(xù)研究。這樣的功能就依靠波形存儲(chǔ)回放顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因?yàn)樗谡麄€(gè)程序中舉足輕重，如果沒有它，開發(fā)出來(lái)的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個(gè)“信號(hào)處理內(nèi)存”。 16 圖 46 存儲(chǔ)和回放模塊前面板 圖 47 a 存儲(chǔ)和回放模塊程序框 圖 圖 47 b 存儲(chǔ)與回放模塊程序框圖 17 頻譜分析模塊采用快速傅立葉 FFT 算法，完成頻域信號(hào)分析，可以獲得對(duì)應(yīng)的頻譜圖。 Labview 提供了與信號(hào)分析有關(guān)的大量函數(shù)可以直接使用，在本文中采用 FFT PowersPectrum 作為主要數(shù)據(jù)處理子 Vl進(jìn)行功率譜分析。 本文中可以實(shí)現(xiàn)的頻譜分析控制包括 : (1)窗口選擇 :提供多種頻譜分析