【正文】 25 、70、160、和 510 Hz的成分。圖44說明混疊的例子采樣的結(jié)果將會是低于奈奎斯特頻率（fs/2=50 Hz）的信號可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號成分采樣時會發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了40和10 Hz的畸變頻率FF3和F4。計算混頻偏差的公式是：混頻偏差＝ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率）其中ABS表示“絕對值”，例如：混頻偏差 F2 = |100 – 70| = 30 Hz混頻偏差F3 = |(2)100 – 160| = 40 Hz混頻偏差F4 = |(5)100 – 510| = 10 Hz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。在圖６－３的例子中，這個濾波器的截止頻率自然是25HZ。這個濾波器稱為抗混疊濾波器,采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？也許你可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。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，實際上工程中選用５～１０倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。通常，信號采集后都要去做適當(dāng)?shù)男盘柼幚?，例如FFT等。這里對樣本數(shù)又有一個要求，一般不能只提供一個信號周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有５～１０個周期，甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個數(shù)的。這里又發(fā)生一個困難，有時我們并不知道，或不確切知道被采信號的頻率，因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數(shù)，也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。我們所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率。這是我們測量與分析的唯一依據(jù)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成圖4－5　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上圖表示了數(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ǔ跏蓟?，板卡上和?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Buffer？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作。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），因為這里沒有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。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。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)可進一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模入通道發(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)：(1)用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且(2)事件定時不需要非常準(zhǔn)確。(3)下列情況使用硬件觸發(fā)：(4)采集事件定時需要非常準(zhǔn)確。(5)用戶需要削減軟件開支。(6)采集事件需要與外部裝置同步。(7)后面可以看到怎樣使用采集的VI程序設(shè)置有Buffer及無Buffer的I/O操作，以及設(shè)置觸發(fā)的類型。 通道的采樣方式多數(shù)通用采集卡都有多個模入通道，但是并非每個通道配置一個A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一個多路開關(guān)（MUX），以及放大器（AMP）、采樣保持器（S/H）等。通過這個開關(guān)的掃描切換，實現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有三種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。在一次掃描（scan）中，數(shù)據(jù)采集卡將對所有用到的通道進行一次采樣，掃描速率（scan rate）是數(shù)據(jù)采集卡每秒進行掃描的次數(shù)?！　‘?dāng)對多個通道采樣時，循環(huán)采樣是指采集卡使用多路開關(guān)以某一時鐘頻率將多個通道分別接入A/D循環(huán)進行采樣。如圖46給出兩個通道循環(huán)采樣的示意圖。此時，所有的通道共用一個A/D和S/H等設(shè)備，比每個通道分別配一個A/D和S/H的方式要廉價。循環(huán)采樣的缺點在于不能對多通道同步采樣，通道的掃描速率是由多路開關(guān)切換的速率平均分配給每個通道的。因為多路開關(guān)要在通道間進行切換，對兩個連續(xù)通道的采樣，采樣信號波形會隨著時間變化，產(chǎn)生通道間的時間延遲。如果通道間的時間延遲對信號的分析不很重要時，使用循環(huán)采樣是可以的。圖46 循環(huán)采樣當(dāng)通道間的時間關(guān)系很重要時，就需要用到同步采樣方式。支持這種方式的數(shù)據(jù)采集卡每個通道使用獨立的放大器和S/H電路，經(jīng)過一個多路開關(guān)分別將不同的通道接入A/D進行轉(zhuǎn)換。圖47給出兩個通道同步采樣的示意圖。還有一種數(shù)據(jù)采集卡，每個通道各有一個獨立的A/D，這種數(shù)據(jù)采集卡的同步性能更好。但是成本顯然更高。圖47　同步采樣假定用四個通道來采集均為50kHz的周期信號（其周期是20μs），數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率設(shè)為200kHz。則采樣間隔為5μs（1/200kHz）。如果用循環(huán)采樣則每相鄰兩個通道之間的采樣信號的時間延遲為5μs（1/200kHz），這樣通道1和通道２之間就產(chǎn)生了1/4周期的相位延遲，而通道1和通道４之間的信號延遲就達15μs，折合相位差是2700。一般說來這是不行的。為了改善這種情況。而又不必付出像同步采用采樣那樣大的代價。就有了如下的間隔掃描（interval scanning）方式。在這種方式下，用通道時鐘控制通道間的時間間隔，而用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔。通道間的間隔由實際上由采集卡的最高采樣速率決定，可能是微秒、甚至納秒級的，效果接近于同步掃描。間隔掃描適合緩慢變化的信號，比如溫度和壓力。假定一個10通道溫度信號的采集系統(tǒng)，用間隔采樣，設(shè)置相鄰?fù)ǖ篱g的掃描間隔為5μs，每兩次掃描過程的間隔是1s，這種方法提供了一個以1Hz同步掃描10通道的方法，如圖48所示。1通道和10通道掃描間隔是45μs，相對于1Hz的采樣頻率是可被忽略的。對一般采集系統(tǒng)來說，間隔采樣是性價比較高的一種采樣方式。圖48 間隔采樣NI公司的數(shù)據(jù)采集卡可以使用內(nèi)部時鐘來設(shè)置掃描速率和通道間的時間間隔。多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)通道時鐘（channel clock ）按順序掃描不同的通道，控制一次掃描過程中相鄰?fù)ǖ篱g的時間間隔，而用掃描時鐘（scan clock）來控制兩次掃描過程的間隔。通道時鐘要比掃描時鐘快，通道時鐘速率越快，在每次掃描過程中相鄰?fù)ǖ篱g的時間間隔就越小。對于具有掃描時鐘和通道時鐘的數(shù)據(jù)采集卡，可以通過把掃描速率（scan rate）設(shè)為0，使用AI Config VI的interchannel delay端口來設(shè)置循環(huán)采樣速率。LabVIEW默認的是scan clock，換句話來說，當(dāng)選擇好掃描速率時，LabVIEW自動選擇盡可能快的通道時鐘速率，大多數(shù)情況下，這是一種比較好的選擇。圖49說明循環(huán)采樣和間隔采樣的不同。圖49 間隔采樣與循環(huán)采樣比較多通道波形的連續(xù)采集現(xiàn)在我們使用LabVIEW提供的DAQ向?qū)泶罱ㄟ@個程序，操作步驟如下：(1)選LabVIEW進入畫面選擇 DAQ Solutions圖410(2)進入Wele to the Solution Wizard　選Program the input scaling and conversion myself(3)進入Solution Wizard –Step 2 to 3 選Custom DAQ Applications(4)進入Solution Wizard –Step 3 to 3 選Analog Input(5)進入Analog Input Functionality 選(6)在Step 1中選擇０、１兩個通道在Step 2中選擇Scan multiple sample from each channel continuously點擊OK按鈕(7)又回到Solution Wizard –Step 3 to 3 ，顯示選中的各種配置，點擊［Open Solution］按鈕，可以看到形成的程序。圖411上面的面板和框圖略做了簡化，刪去了有關(guān)錯誤信息處理的一個模塊。在這個程序中有幾個問題值得注意(1)在AI Config 中設(shè)置interchannel delay 為 –1, 使用間隔掃描方式，避免了通道延遲。(2)在這個簡化了的框圖上我們可以更加清晰地看出中級模入的處理框圖，大致如下：圖412 連續(xù)采集程序模型無疑，這個流程更加合理，它把采集的初始化與結(jié)束處理放在了循環(huán)之外。 (3)Buffer的設(shè)置和使用：連續(xù)采集時通常需要Buffer。面板上有３個與Buffer有關(guān)的對象。其一是Buffer Size(單位：scan的個數(shù))，這是它的大小，其二是Scans to Read at a time，即每一次從Buffer中讀走的scan的個數(shù)，其三是scan backlog，這里顯示在Buffer中積壓的scan個數(shù)。這個數(shù)的大小取決于系統(tǒng)的運行速度。只要這里顯示一個大于Buffer Size的數(shù)，系統(tǒng)將出錯，中斷運行。這里使用的是一種稱為循環(huán)Buffer機制。其原理如下：在往緩沖區(qū)中放數(shù)據(jù)的　同時可以讀取緩沖區(qū)中已放的數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時，從緩沖區(qū)開始處重新存放新的數(shù)　據(jù)，只要放數(shù)據(jù)和取數(shù)據(jù)的速度配合好，就可以實現(xiàn)用一塊有限的存儲區(qū)，來進行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送。使用循環(huán)緩沖區(qū)，可以在采集設(shè)備在后臺連續(xù)進行采集的同時，LabVIEW在兩次讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時間間隔里對數(shù)據(jù)進行處理。循環(huán)緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù)用于測量的虛擬儀器(VI)執(zhí)行的典型的測量任務(wù)有：。，例如上升時間、超調(diào)量等等。在過去，這些計算工作需要通過特定的實驗工作臺來進行，而用于測量的虛擬儀器可以使這些測量工作通過LabVIEW程序語言在臺式機上進行。這些用于測量的虛擬儀器是建立在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)之上，有如下的特性：輸入的時域信號被假定為實數(shù)值。輸出數(shù)據(jù)中包含大小、相位，并且用合適的單位進行了刻度，可用來直接進行圖形的繪制。計算出來的頻譜是單邊的（single_sided），范圍從直流分量到Nyquist頻率(二分之一取樣頻率)。（即沒有負頻率出現(xiàn)）需要時可以使用窗函數(shù)，窗是經(jīng)過刻度地，因此每個窗提供相同的頻譜幅度峰值，可以精確地限制信號的幅值。 波形顯示模塊圖413第一步：使用AI ，配置內(nèi)容包括：設(shè)備號、通道選擇（可以選擇電壓通道、電流通道、速度/轉(zhuǎn)矩通道）、緩存大小等；第二步：利用AI ；第三步：利用一個While循環(huán)以及AI ；第四步：完成數(shù)據(jù)采集后，利用AI ，并刪除相關(guān)配置、釋放DAQ設(shè)備相關(guān)資源；在這種方式下只要啟動了DAQ設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，它就會不停地對信號進行連續(xù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放至其FIFO緩存中，通過這種方式可以實現(xiàn)對信號的長時間的連續(xù)采集，而不會丟失信號。 頻譜分析模塊 各VI的介紹一般情況下，可以將數(shù)據(jù)采集VI的輸出直接連接到測量VI的輸入端。測量VI的輸出又可以連接到繪圖VI以得到可視的顯示。有些測量VI用來進行時域到頻域的轉(zhuǎn)換，例如計算幅頻特性和相頻特性、功率譜、網(wǎng)路的傳遞函數(shù)等等。另一些測量VI可以刻度時域窗和對功率和頻率進行估算。LabVIEW的流程圖編程方法和分析VI庫的擴展工具箱使得分析軟件的開發(fā)變得更加簡單。LabVIEW 分析VI通過一些可以互相連接的VI，提供了最先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。你不必像在普通編程語言中那樣關(guān)心分析步驟的具體細節(jié)，而可以集中注意力解決信號處理與分析方面的問題。LabVIEW 6i版本中，有兩個子模板涉及信號處理和數(shù)學(xué)，分別是Analyze子模板和Methematics子模板。這里主要涉及前者。進入Functions模板AnalyzeSignal Processing子模板。圖414其中共有6個分析VI庫。其中包括：(1)Signal Generation（信號發(fā)生）：用于產(chǎn)生數(shù)字特性曲線和波形。(2)Time Domain（時域分析）：用于進行頻域轉(zhuǎn)換、頻域分析等。(3)Frequency Domain（頻域分析）：(4)Measurement（測量函數(shù)）：用于執(zhí)行各種測量功能，例如單邊FFT、頻譜、例加窗以及泄漏頻譜、能量的估算。(5)Digital Filters（數(shù)字濾波器）：用于執(zhí)行IIR、FIR 和非線性濾波功能。(6)Windowing（窗函數(shù)）：用于對數(shù)據(jù)加窗?！⌒盘柕漠a(chǎn)生本節(jié)將介紹怎樣產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號，以及怎樣創(chuàng)建模擬函數(shù)發(fā)生器,怎樣使用分析庫中的信號發(fā)生VI產(chǎn)生各種類型的信號。信號產(chǎn)生的應(yīng)用主要有：當(dāng)無法獲得實際信號時，（例如沒有DAQ板卡來獲得實際信號或者受限制無法訪問實際信號），信號發(fā)生功能可以產(chǎn)生模擬信號測試程序。產(chǎn)生用于D/A轉(zhuǎn)換的信號在LabVIEW 6i中提供了波形函數(shù)，為制作函數(shù)發(fā)生器提供了方便。以WaveformWaveform Generation中的基本函