【正文】 率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖 和圖 顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。 19 圖 合適采樣率采樣波形 圖 采樣率過低采樣波形 采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信 號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集 (A/D)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的 2倍就夠了，但實際上工程中選用 510 倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述 B u f f e r( F I F O )驅(qū)動程序L a b v i e w程 序信 號D A Q 板 卡A / D外 觸 發(fā)內(nèi) 存B u f f e r硬 件顯 示 圖 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖 圖 表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)Σ杉蹇?初始化，板卡 20 上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是 ： 是否使用 緩沖？ 是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作 ？ 1） 緩沖 (Buffers) 這里的 緩沖指 的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖 )，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是 Buffer 與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有 DMA 性能，模擬 輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機(jī)的內(nèi)存。 不使用 Buffer 意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理 (圖形化、分析等 )。 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。 ② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC 數(shù)據(jù) (10 樣本 /秒 )，并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 ③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： ① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集 一個數(shù)據(jù)點。 ② 需要縮減存儲器的開支。 2） 觸發(fā) (Triggering) 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動 /停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模 21 擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部 觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出 (常稱為“ trigger out” )用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。 下列情況使用軟件觸發(fā) ： 用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且事件定時不需要非常準(zhǔn)確。 下列情況使用硬件觸發(fā) ： ① 采集事件定時需要非常準(zhǔn)確。 ② 用戶需要削減軟件開支。 ③ 采集事件需要與外部裝置同步。 傳感器 傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等 物理信號 變成電信號。 因為 被測試對象的信號來源已經(jīng)是 變換好了的 電信號，所以傳感器部分 在設(shè)計中 沒有得到具 體體現(xiàn) ，但是這部分是設(shè)計過程中必需要考慮的 。 信號調(diào)理 從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè) 計 特殊的信號調(diào)理功能。信號調(diào)理的通用功能如下 [15] [16]： 1） 放大 微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號的電壓范圍和 A/D 的電壓范圍相匹配。信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比 得到改善。 2） 隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從 22 數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。 3） 濾波 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數(shù)信號調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。另外，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡 自身帶有抗混疊濾波器。 4） 激勵 信號調(diào)理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等就需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。 5） 線性化 許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對其輸出信號進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來的誤差。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以利用軟件來解決這一問題。 6） 數(shù)字信號調(diào)理 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有必要進(jìn)行調(diào)理，其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供其他 一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字 I/O 比直接控制電磁閥、電燈、電動機(jī)等外部設(shè)備。 輸入信號的類型 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須對要采集的信號有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)。 任意一個信號是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載信息是很廣泛的，比如 ： 狀態(tài) (State)、速率 (Rate)、電平 (Level)、形狀 (Shape)、頻率成分 (Frequency Content)。根據(jù)信號運載信息方式的不同，可以將信號分為 模擬或數(shù)字信號。數(shù)字信號又可分為開關(guān)信號和脈沖信號。模擬信號則可分為直流、時域、頻域信號。 1） 數(shù)字信號 (Digital) 第一類數(shù)字信號是開關(guān)信號 (OnOff)，如圖 所示。一個開關(guān)信號運載的信息與信 23 號的瞬間狀態(tài)有關(guān)。 TTL 信號就是一個開關(guān)信號，一個 TTL 信號如果在 到 之間，就定義它為邏輯高電平，如果在 0 到 之間，就定義為邏輯低電平。 O nO f ftS t a t e 圖 開關(guān)信號 第二類數(shù)字信號是脈沖信號 (Pulse Train)，如圖 所 示。這種信號包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個轉(zhuǎn)換間隔或多個轉(zhuǎn)換間隔的時間里。 tR a t e 圖 脈沖信號 2） 模擬信號 (Analog) 模擬直流信號 (DC)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號，如圖 所示。 tL e v e l 圖 模擬直流信號 直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫 24 度、流速、壓力、應(yīng)變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時，需 要有足夠的精度以正確測量信號電平。 模擬時域信號 (Time Domain)運載的信息不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化，如圖 所示。在測量一個時域信號或者說是波形時，需要關(guān)注波形形狀的特性，如斜度、峰值等。為了測量一個時域信號，必須有一個精確的時間序列，間隔也要合適，以保證信號的有用部分被采集到?，F(xiàn)實中存在許多不同的時域信號，比如 心 臟跳動信號、視頻信號等，測量它們通常是因為對波形的某些方面的特性感興趣。 圖 模擬 時域 信號 模擬頻域信號 (Frequency Domain)與時域信號類似， 但從頻域信號中提取的信息是信號的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性，如圖 所示。用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號中提取頻域信息。為了實現(xiàn)這樣的數(shù)字信號處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的 DSP 硬件來迅速而有效地分析信號。模擬頻域信號也很多，比如聲音信號、地球物理信號、傳輸信號等。 圖 模擬頻域信號 現(xiàn)實中的信號并不是互相排斥的，一個信號可能運載有不只一種信息，可以用幾種 25 方式來定義信號并測量它，用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號，從信號中取出需要的各種信息。 輸入信號的連接方式 一個電壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。測量系統(tǒng)可以分為差分 (Differential)、參考地單端 (RSE)、無參考地單端 (NRSE)三種類型。 1） 接地信號 接地信號，就是將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因為信號用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。接地最常見的例子是通過墻上的接地引出線，如信號發(fā)生器和電源。 2） 浮動信號 一個不與任何地 (如大地或建筑物的地 )連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨立。一些常見的浮動信號的例子有電池、熱電偶、變 壓器和隔離放大器。 測量系統(tǒng)分類 1） 差分測量系統(tǒng) (DEF) 差分測量系統(tǒng)中，信號輸入端與一個模擬入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。圖 描述了一個 8 通道的差分測量系統(tǒng)，用一個放大器通過模擬多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通道間的轉(zhuǎn)換。標(biāo)有 AIGND(模擬輸入地 )的管腳就是測量系統(tǒng)的地。 一個理想的差分測量系統(tǒng)僅能測出 (+)和 ()輸入端口之間的電位差，完全不會測量到共模電壓。然而，實際應(yīng)用的板卡卻限制了差分測量系統(tǒng)抵抗共模電壓的能力，數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對與測量系統(tǒng)地的輸入電壓的 波動范圍。共模電壓的范圍關(guān)系到一個數(shù)據(jù)采集卡的性能，可以用不同的方式來消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng) 26 共模電壓超過允許范圍，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測量數(shù)據(jù)錯誤。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +A m p l i f i e rV mA I G N D 圖 八通道差分測量系統(tǒng) 2） 參考地單端測量系統(tǒng) (RSE) 一個 RSE 測量系統(tǒng)，也叫做接地測量系統(tǒng)，被測信號 的 一端接模擬輸入通道，另一端 連接 系統(tǒng)地 AIGND。圖 表示 了一個 16 通道的 RSE 測量系統(tǒng)。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I G N D 圖 十六通道 RSE 測量系統(tǒng) 3） 無參考地單端測量系統(tǒng) (NRSE) 27 在 NRSE 測量系統(tǒng)中，信號的一端接模擬輸入通道，另一端接一個公用參考端，但這個參考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。圖 說明了一個 NRSE 測量系統(tǒng)，其中 AISENSE 是測量的公共參考端， AIGND 是系統(tǒng)的地。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I S E N S EA I G N D 圖 十六通道 NRSE 測量系統(tǒng) 選擇合適的測量系統(tǒng) 兩種信號源和三種測量系統(tǒng)一共可以組成如表 的六種連接方式 ： 表 測量系統(tǒng)連接方式 接地信號 浮動信號 DEF ☆ ☆ RSE ☆☆ NRSE ☆ ☆ 其中，推薦使用帶 ☆ 號的方式。 從上表可以看出 ，浮動信號和差 分 連接方式 的系統(tǒng)較好。但實際測量時還要看情況而定。 1） 測量接地信號 測量接地信號最好采用差分或 NRSE 測量系統(tǒng)。如果采用 RSE 測量系統(tǒng)時，將會給測量結(jié)果帶來較大的誤差。圖 體現(xiàn)了一個用 RSE 測量系統(tǒng)去測量一個接地信號源 28 的弊端。在本例中，測量電壓 Vm 是測量信號電壓 Vs 和電位差 DVg 之和，其中 DVg是信號地和測量地之間的電位差，這個電位差來自于接地回路 電阻，可能會造成數(shù)據(jù)錯誤。一個接地回路通常會在測量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾。一種避免接地回路形成的辦法就是在測量信號前使用隔離方法，測量隔離之后的信號。 如果信號電壓很高并且信號源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小， 就 可以采用 RSE系統(tǒng)，因為此時接地回路電壓相對于信號電壓來說很小，信號源電壓的測量值受 到 接地回路的影響可以忽略。 信 號 地測 量 系 統(tǒng) 參 考 地V s＋－＋－＋－＋－＋－D V gV sD V gV m = V s + D V g= 圖 RSE 測量系統(tǒng)測量浮動信號 2） 測量浮動信號 測量浮動信號 可以 采用 D