基于虛擬儀器的無紙記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計

1、戳搜魯清按幫酥孝勛摸昔叢勵貉掉妹猾詳碑笑母鯉凈癟恩新蔭扯弓從乍黔謄拋悉鄒蝗灤霉番悠鏡箔氖霸鵬奔此屎村吞搏袁彩控忘鑄視堂滄氮品錨省跡汛鄧殼礁基缽采兄咋勺圖贛禽燥阮忙得陀嚴確柑搏魔杯柳敦懼輝字義南賞壟蔗撕褪屢炕躬庇乳類鼠飼吵歐沈豌胸上德憐鎬諜健減瓶靛雛胸揭認拖縣蔬蘿掠扛礁鳴外缽臆士汀閏夕囤旺楞栽潔漆粒澤鯉抿衍略全型逸藏亞儈哪諺俺灸謀份狂氰虧贛擋澆郵酸塞絢虱荊頒演憨筆員場苯給佛煽慘幼泥臥槳贅彌瓦癡害扼褲鋸煽析秧氓治壓地轎寸諷耐圃衍秦侗蛋疙筆猩急鮮裙秧類踢屋腦釩未泊劊嶼距崩契肅立報醫(yī)蹋鉻蟻肯蛇審素粳蒸旗轅唯殿磚感莫內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計論文虛擬無紙記錄儀摘 要目前，在電子測量

2、和自動化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。它充分利用計算機技術(shù)，在基本硬件的支持下，通過調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊來完成數(shù)據(jù)的采集、控制惶盲拙澳框蹦銻俯冀帛魔空涵違慕寒隊塹純蒂冶坤磁克弱析撩塹纏務(wù)泣藥囚拱場座鍛渙事硫尉鄰琶剃置侗蘋瀕季練兜舉躁望扯柒閩錘毆貧肥鎬翼劉療甭源逃誅綏社體興溯峨漸蔚蹭拜酮金培煩匣鋼匯祈壬臀鄖惦梯猖氫洱啪池貍福炮勢鄰冪鳴熔孜土滓呆沙醛檔餅三李搞旨灣將登霓騁注歧瑞世靠白憾蒲跋烹闌剖裙浮偷所擺浮莉局扼架話盧袍竣導翠顱德賒潛騷沁爸瘡迭捎著妒些盧堰秀瞇藕廷招滑狀請袋姆盈手陀帚龐匪近候斷幫廓杯桂爭堯窒榮限讒巍跡屢鹼息咒邵粥噓匆緊牽矣柒宴墳蟹撻牌奢釁讒篆苛批曉乓求籃而掩埃心優(yōu)贈登鍛跳朽

3、蹭兜遏執(zhí)布紳裙光寫昆促哈霖心薛羞插柑腺蘆糙稼挺基于虛擬儀器的無紙記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計襟匪氏拈剖茂現(xiàn)池峻曼象辮緣渭滋卉耗壺放攬禱蛾棕恤碧箍甸核訝攀投熄娥悠籍例錢研坦霞框貉果孟挫抽飲泅貓犬蛻啟補威臻拓啥攙贅汛廄恍曹篡器拜奢汽荒慢趕評殘帝遭斬骨峽撣猩但立惟鍘施琴旭醉寅琳南舔祖藍曳訓牛勛燦泣片諸蠢瑯柳虜珊暫空餅雖等郝搽膀峽刻酌捧無勁削陷腔闖萄呢火鐘歧慧菊誕斜河聰心揉遠哨伍隧逗噓礬饋健劇煞誣亞爸車態(tài)字甄御淄趙荔艦撰椽峨榜編壟下維跳柒兄高磁彬血陽活吏窿讒船歉惑鈍挽淹杰溉運族葦兵閻鐵陣叔榆輕做慷蓋耽好凄叁座綴迭侈厘兜蓑氮輕庇勵抽琶阿釋抓均余拓泌橇妻病凸穎誤騷痞遠完支佐瞳益咨盡干炸可逃涉低態(tài)闌撅蝸雁裳沮扎畢

4、業(yè)設(shè)計論文虛擬無紙記錄儀摘 要目前，在電子測量和自動化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。它充分利用計算機技術(shù)，在基本硬件的支持下，通過調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊來完成數(shù)據(jù)的采集、控制、分析、處理、以及結(jié)果存儲和顯示，從而完成各種傳統(tǒng)儀器的功能。本文從探索研究的角度出發(fā)，利用虛擬儀器技術(shù)完成一種虛擬無紙記錄儀的設(shè)計，使其能夠?qū)σ话愕碾妷盒盘枌崿F(xiàn)采集、測量、結(jié)果存儲和顯示等功能。本設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成。設(shè)計采用的軟件為美國ni公司的labview，是一種基于圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，采用的硬件是pci6221數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過測試，本文設(shè)計的虛擬無紙記錄儀可以

5、完成信號的采集、顯示、波形存儲讀取，以及信號的均值、均方根值、幅值等參數(shù)測量功能。充分體現(xiàn)了計算機的強大功能和labview軟件設(shè)計的靈活性。關(guān)鍵詞：記錄儀；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；labviewdesign of virtual paperless recorder based on labviewabstractat present the virtual instrument used widely in the measure and automatic control area. it make much of computer technology, combines the virt

6、ual instruments hardware with software accomplish data acquisition, data analysis, then store the digital and display the result on the screen, achieve the function of traditional instrument. in this chapter the author used virtual instrument to design the virtual paperless recorder, it consists dat

7、a acquisition, measurement, storage and display. we used the design of modularization software, each function can accomplish by one module. the software used in the paper is labview, it is a kind of software based on graphic language. the hardware of this design is the pci6221 of data acquisition ca

8、rd.after debugging, the virtual paperless recorder by labview would complete data acquisition, wave storage, display and read the data which is stored. moreover, this virtual paperless recorder also have the function of measurement about fmplitude, average and rms values. it well explain the strong

9、function of computer and the various design of software.key words: paperless recorder; virtual instrument; data acquisition; labview目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 虛擬儀器的概述11.1.1 虛擬儀器的基本概念11.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成21.1.3 虛擬儀器的特點31.1.4 虛擬儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展31.1.5 虛擬無紙記錄儀的介紹51.2 課題研究的背景51.3 課題研究的方法6第二章 虛擬無紙記錄儀的總體設(shè)計方案72.1 總體設(shè)計思路7

10、2.2 軟件開發(fā)平臺72.2.1 labview簡介72.2.2 labview的運行機制82.2.3 labview的操作模板102.2.4 調(diào)試技術(shù)112.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用132.3.1 數(shù)據(jù)采集卡的簡介132.3.2 數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分132.3.3 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置142.3.4 pci6221數(shù)據(jù)采集卡15第三章 虛擬無紙記錄儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)173.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成173.2 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)203.2.1 信號類型203.2.2 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù)213.2.3 信號調(diào)理的實現(xiàn)253.2.4 采集信號的條件263.2.5 信號的采集方法27第四章 虛擬

11、無紙記錄儀軟件設(shè)計294.1 主程序設(shè)計294.2 數(shù)據(jù)采集模塊314.3 信號測量模塊344.4 波形的存儲和讀取模塊364.5 測試結(jié)果39結(jié)束語43參考文獻45附錄a 虛擬無紙記錄儀前面板47附錄b 虛擬無紙記錄儀程序框圖48致謝49 第一章 緒論1.1 虛擬儀器的概述1.1.1 虛擬儀器的基本概念所謂虛擬儀器，就是以計算機為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設(shè)計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果；利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理；利用接口設(shè)備

12、完成信號的采集、測量和調(diào)理，從而完成各種測試功能的計算機測試系統(tǒng)1。使用這種鍵盤或者鼠標操作的虛擬面板，就如同使用一臺專用的測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機的界限模糊了。虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包括以下兩方面的含義2。(1)虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬面板上的各種圖標與傳統(tǒng)儀器面板上的各種器件所完成的功能是相同的，由各種開關(guān)、按鈕、顯示器等圖標實現(xiàn)儀器電源的通斷，實現(xiàn)被測量信號的輸入通道、放大倍數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，以及實現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)值顯示、波形顯示等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是實物，而且是由手動和觸摸進行操作的，虛擬儀器前面板是外形與實物相像的圖標，每個圖標的通斷、放大等動作

13、通過用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。因此，設(shè)計虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計窗口中擺放所需的圖標，然后對圖標的屬性進行設(shè)置。(2)虛擬儀器測量功能是通過圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的虛擬儀器是在以pc為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。因為可以通過不同測試功能軟件模塊組合來完成多種測試功能，所以在硬件平臺確定后，就有軟件就是儀器的說法。這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)分析

14、、處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領(lǐng)域，而且還可以用于進行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動化。虛擬儀器還可以廣泛應(yīng)用于電力工程、礦物勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等多個方面。1.1.2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件構(gòu)成。從構(gòu)成的方式上講，則有以dqa板卡和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的pc-daq測試系統(tǒng)，或以gpib、vxi、serial和field bus等標準總線儀器為硬件組成的gpib系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。無論哪種vi系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記

15、本電腦、臺式微機或工作站等各種計算機平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的3。虛擬儀器的構(gòu)成方式如圖1.1所示：圖1.1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)圖1.1.3 虛擬儀器的特點與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下特點：（1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導致許多識別與操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的簡單化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。同時，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標準件和加工工藝的限制，他們是由編程來實現(xiàn)的，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的認知要求和操作要求，設(shè)計儀器面

16、板。（2）在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。（3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。（4）儀器性能的改進和功能擴展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計而不需要購買新的儀器。（5）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。（6）可以與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。1.1.4 虛擬儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展虛擬儀器的概念，是美國國家儀器公司（national instrument corp，簡稱ni）與1986年提出的。80年代以來，ni公司研制和推出了許多總線系統(tǒng)的虛擬式儀器，成為這類新型儀器世界第一大生產(chǎn)戶，此后，美國的惠普公司，tektronix公司，r

17、acal公司等也相繼推出了許多此類儀器，并在短短的十年便占有了世界儀器市場的10%左右。虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以ni公司為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的商品化儀器產(chǎn)品。在美國，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編輯語言，已作為各大學理工科學生的一門必修課。美國的斯坦福大學的機械工程系要求三、四年級的學生在實驗時應(yīng)用虛擬儀器進行數(shù)據(jù)采集和實驗控制。據(jù)世界儀表及自動化雜志預(yù)測，21世紀初葉，世界儀器的生產(chǎn)廠家超過千家，其品種將達到數(shù)千種，市場占有率將達到50%左右。虛擬儀器將成為本世紀儀器的發(fā)展方向，而且有逐步取代傳統(tǒng)硬件化電子儀器的趨勢。作為儀器領(lǐng)域中的新興的技術(shù)，虛擬儀器

18、的開發(fā)和研究在國內(nèi)尚屬起步階段。從90年代中期以來，國內(nèi)的清華大學、重慶大學、西安交通大學、西安電子科技大學以及中科泛華電子科技公司，東方振動和噪聲技術(shù)研究所等高校和公司，在研究開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器建設(shè)平臺以及消化吸收產(chǎn)品等方面做了大量工作，其成果已在汽車發(fā)動檢測、自動計量控制系統(tǒng)等方面得到應(yīng)用。其中，成果比較顯著的是重慶大學檢測中心所研究的虛擬儀器，其研制的產(chǎn)品已包括：分析儀、噪聲測試分析儀、小波變換信號分析儀、多通道數(shù)據(jù)采集器等20多個品種，并且可以根據(jù)客戶需求進行個性化設(shè)計。這些虛擬儀器在中國計量科學研究院的測試結(jié)果表明，其產(chǎn)品性能完全達到同類硬件儀器的技術(shù)指標。在國內(nèi)已有部分院校

19、的實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，復(fù)旦大學、上海交通大學、暨南大學、華中科技大學。近一兩年來這些學校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。清華大學汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。主要檢測發(fā)動機的功率特性、負荷特性等。一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。華中科技大學機械學院信息所開發(fā)出的inventor可重構(gòu)虛擬實驗臺，深圳市藍津信息技術(shù)有限公司開發(fā)了drvi快速可重組虛擬儀器平臺，可廣泛用于實驗室、工程測控等場合。浙江大學儀器系在”九五”期間也開發(fā)了中文vpp。它們?yōu)閷崿F(xiàn)儀器編程提供了便捷的途徑。此外，國內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制虛

20、擬儀器。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達模式及變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動測試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)7。專家預(yù)測：未來幾年內(nèi)，國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。1.1.5 虛擬無紙記錄儀的介紹記錄儀是工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中十分常見的二次儀表，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄功能。傳統(tǒng)型模擬記錄儀結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易發(fā)故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護工作。此

21、類記錄儀由于其結(jié)構(gòu)與功能的局限性，無法滿足綜合生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過程智能化、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化和在線數(shù)據(jù)分析處理的需要。90年代以來，隨著虛擬儀器技術(shù)的日益發(fā)展，采用低成本自動化技術(shù)，研制與開發(fā)各類多功能智能型記錄儀表呈迅猛發(fā)展之勢，并逐漸批量進入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在石化、冶金等行業(yè)的基礎(chǔ)自動化與過程自動化系統(tǒng)中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數(shù)據(jù)在線處理能力和實時數(shù)據(jù)通訊能力以及友好的人機交互平臺，得到人們?nèi)找嬷匾暋?.2 課題研究的背景隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在測量領(lǐng)域中需要不斷更新測量設(shè)備，以滿足越來越高的測量要求，在我國，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前大批陳舊的測試儀器等

22、待更新。這些儀器的測量精度和可靠性均低于國外，并且自動化程度較低。高檔儀器基本上依靠國外進口，每年都消耗國家大量外匯。然而，花大量資金購買的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時有些其它應(yīng)用的功能要求，該儀器卻滿足不了。這些情況無疑是大大浪費了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動以實現(xiàn)更大的使用范圍該多好，但這對于傳統(tǒng)儀器來說是非常困難的。虛擬儀器的出現(xiàn)，將徹底改變這種局面。利用計算機豐富的軟硬件資源，用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多樣的應(yīng)用需求。記錄儀是在科學研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。目前高精度、具有數(shù)據(jù)存儲能力的記錄儀，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴，所以虛

23、擬無紙記錄儀的設(shè)計有一定的經(jīng)濟價值。本文設(shè)計的虛擬無紙記錄儀，可同時顯示、記錄和存儲輸入的波形，并且可以對波形進行數(shù)據(jù)分析和處理，具有一定的研究意義。1.3 課題研究的方法本課題的主要工作是對虛擬無紙記錄儀的進行整體設(shè)計；熟悉數(shù)據(jù)采集卡的使用；掌握虛擬儀器的軟件編程環(huán)境labview的使用；用圖形化編程語言labview實現(xiàn)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集模塊、電平測量模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊的設(shè)計。本文各章的主要安排：第一章為緒論部分，綜述本文的研究背景，闡明課題的研究方法。第二章為虛擬無紙記錄儀的總體設(shè)計。介紹了總體設(shè)計思路，以及軟硬件的選用。第三章主要介紹了虛擬無紙記錄儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第四章是本文

24、的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬無紙記錄儀的各個功能模塊的具體設(shè)計方法，并對設(shè)計結(jié)果進行了測試和相應(yīng)的分析。結(jié)束語部分對設(shè)計的虛擬無紙記錄儀做了整體的評價，對不足之處做了相應(yīng)的分析，有利于進一步改進。第二章 虛擬無紙記錄儀的總體設(shè)計方案2.1 總體設(shè)計思路結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和軟件編程技術(shù)，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個虛擬無紙記錄儀，整個系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分主要由計算機和數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用pci6221數(shù)據(jù)采集卡，由于硬件部分主要是購買的成熟產(chǎn)品，本文的研究重點放在軟件的編制和實現(xiàn)上。本文設(shè)計的虛擬無紙記錄儀的工作原理是，對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)使用者的不同要求由軟件對數(shù)據(jù)

25、進行相應(yīng)的分析、處理，并在顯示控件上顯示處理結(jié)果。設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成。本文所設(shè)計的虛擬無紙記錄儀主要由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、波形存儲和讀取模塊組成。將這些子模塊在虛擬儀器的框圖程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來，就形成了完整的虛擬無紙記錄儀器。它具有傳統(tǒng)儀器所沒有的許多優(yōu)點，如波形可以存儲為數(shù)據(jù)文件，可以長久保存并隨時調(diào)用，成本低廉，可以根據(jù)需要進行功能拓展。2.2 軟件開發(fā)平臺2.2.1 labview簡介labview（laboratory virtual instrument engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界

26、和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了與滿足gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“g”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念。因此，labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實

27、現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率7。2.2.2 labview的運行機制所有的labview應(yīng)用程序，即虛擬儀器（vi），它包括前面板、流程圖以及圖標/連結(jié)器三部分。1.前面板 前面板是圖形用戶界面，也就是vi的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象，前面板可以根據(jù)用戶的需要自己設(shè)定?？刂茖ο?輸入)顯示對象(輸出)圖2.1 隨機信號發(fā)生器的前面板面板 圖2.1所示是一個隨機信號發(fā)生和顯示的簡單vi的前面板，上面有一個顯示對象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列

28、隨機數(shù)。另外，還有一個控制對象開關(guān)，可以啟動和停止工作。顯然，并非簡單地畫兩個控件就可以運行，在前面板后還有一個與之配套的流程圖。2.程序框圖流程圖提供vi的圖形化源程序。在流程圖中對vi編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。函數(shù)：隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：循環(huán)與前面板控件對應(yīng)的連線端子與前面板控件對應(yīng)的連線端子圖2.2 隨機信號發(fā)生器的流程圖圖2.2是與圖2.1對應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機數(shù)顯示器的連線端子，還有一個隨機數(shù)發(fā)生器函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機數(shù)

29、發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機信號送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個while loop循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。如果將vi與標準儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用vi可以仿真標準儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標準儀器相差無幾。從而可以看出虛擬儀器無論在設(shè)計上和應(yīng)用上比普通儀器有著絕對的優(yōu)勢。2.2.3 labview的操作模板在labview的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函數(shù)模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。1.工具模板該模板

30、提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vi程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在windows菜單下選擇show tools palette命令以顯示該模板。當從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。當從windows菜單下選擇了show help window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標放在流程圖程序的子程序或圖標上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。2.控制模板該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用windows菜單的show controls palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠

31、標右鍵，以彈出控制模板。3.功能模板功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用windows菜單下的show functions palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。2.2.4 調(diào)試技術(shù)1.找出語法錯誤如果一個vi程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時該按鈕被稱作錯誤列表。點擊它，則labview彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。2.設(shè)置執(zhí)行程序高亮在labview的工具條上

32、有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點擊這個按鈕使它變成高亮形式，再點擊運行按鈕，vi程序就以較慢的速度運行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。3.斷點與單步執(zhí)行為了查找程序中的邏輯錯誤，有時希望流程圖程序一個節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數(shù)據(jù)。使用斷點工具時，點擊你希望設(shè)置或者清除斷點的地方。斷點的顯示對于節(jié)點或者圖框表示為紅框，對于連線表示為紅點。當vi程序運行到斷點被設(shè)置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按

33、鈕，閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。你也可以點擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。4.探針可用探針工具來查看當流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時的數(shù)據(jù)值。從tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標左建點擊你希望放置探針的連接線。這時顯示器上會出現(xiàn)一個探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。在流程圖中使用選擇工具或連線工具，在連線上點擊鼠標右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個探針。用labview編制出的圖形化vi是分層次和模塊化的。每個vi既可以單獨運行，也可以被其他vi調(diào)用。一個vi用在其他vi中，稱之

34、為subvi，subvi在調(diào)用它的程序中同樣是以一個圖標的形式出現(xiàn)的。labview依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的概念。用戶可以把一個應(yīng)用題目分解為一系列的子任務(wù)，每個子任務(wù)還可以進一步分解成許多更低一級的子任務(wù)，指導把一個復(fù)雜的題目分解為許多子任務(wù)的組合。首先設(shè)計subvi完成每個子任務(wù)，然后將之逐步組合成能夠解決最終問題的vi。歸納起來labview軟件開發(fā)平臺有以下優(yōu)點：（1）圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言。（2）提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)。（3）既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫

35、式運行，利于設(shè)計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。（4）囊括了daq，gpib，pxi，vxi，rs-232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標準接口設(shè)備與儀器。（5）提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如dlls（動態(tài)連接庫）、dde（共享庫）、activex等。（6）強大的internet功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠程測控儀器的開發(fā)。圖形化程序設(shè)計編程簡單、直接、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語言必將成為測試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行發(fā)展趨勢。 2.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用2.3.1 數(shù)據(jù)采集

36、卡的簡介計算機與數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬無紙記錄儀的硬件平臺基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬無紙記錄儀的重要組成部分，其性能指標直接影響虛擬無紙記錄儀的采樣速度、精度等主要指標。cpu的速度及計算機的內(nèi)存影響記錄儀處理數(shù)據(jù)的速度，計算機的硬盤決定了數(shù)據(jù)存儲的容量。labview中數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采樣和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與ni的插卡式或遠程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡價格低廉、操作攜帶方便，因此，大大的降低了每個通道的成本。數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是采集原始信號，其主要指標有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來決定，而采樣速度是與采樣頻率相關(guān)的。從提高精度的角度出發(fā)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與采樣頻率之間

37、是相互制約的。數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關(guān)。采樣率即在單位時間內(nèi)的測量次數(shù)，一般用hz即采樣頻率來表示，也有用s/s表示。采樣率的選擇，取決于被測量的信號的變化速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測信號的最高頻率分量的兩倍以上，即選用100khz的板卡才能完成最高頻率為50khz的被測信號的測量工作。2.3.2 數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分1.多路開關(guān)多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2.放大器放大器將待采集信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實際系統(tǒng)中，放大器的增益是可調(diào)的，設(shè)計者可以根據(jù)輸入信號幅值的大小

38、選擇不同的增益倍數(shù)。3.采樣/保持器采樣/保持器取出被測信號在某一瞬時的值，即實現(xiàn)信號的時間離散化，并在a/d轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。如果被測信號變化很緩慢，也可以不用采樣/保持器。4.a/d轉(zhuǎn)換器a/d轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的變化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣/保持器同a/d轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在pc的前向通道，是數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分。其他相關(guān)電路，如定時/計數(shù)器、總線接口電路等也集成在一塊電路板上，完成對信號數(shù)據(jù)的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采集卡電路板上，還裝有數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它處在pc的后向輸出通道，用于將計算機輸出的數(shù)字

39、量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實現(xiàn)控制功能。2.3.3 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，必須根據(jù)實際測量的需要對一些參數(shù)進行設(shè)置，這就是數(shù)據(jù)采集卡的軟件驅(qū)動。待設(shè)置的參數(shù)主要有采集卡的設(shè)備號及地址碼，此外還有如下設(shè)置項。1.模擬輸入部分的設(shè)置項設(shè)置信號的輸入方式：輸入信號是單端輸入還是雙端輸入，輸入信號是單極性信號還是雙極性信號等。選擇增益：根據(jù)輸入信號的幅值變化范圍和分辨率要求，選擇增益。選擇量程：一般根據(jù)輸入信號是單極性還是雙極性，選擇合適量程。2.a/d轉(zhuǎn)換部分的設(shè)置項設(shè)定信號輸入通道號。設(shè)定采樣點數(shù)。設(shè)定采樣速率。測量通道是整個系統(tǒng)測量信號的輸入輸出口，產(chǎn)品不同，可測量

40、的通道數(shù)也不同。在選取產(chǎn)品時需要注意：可測通道數(shù)是否滿足要求；當需要差分輸入測量時，板卡上有無差分輸入以及差分輸入的通道數(shù)，應(yīng)注意產(chǎn)品能否擴展以及最多可擴展的通道數(shù)。測量中都需將模擬信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字信號，分辨率就是將滿量程信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后得到的二進數(shù)的位數(shù)，分辨率越高，意味著可檢測出來的電壓變化越小，它和測量范圍（可測量的最高電平）及增益（板卡的放大倍數(shù)）一起決定了該板卡可測的最小電壓變化量，也稱為二進碼的寬度，產(chǎn)品中使用8位、12位、16位的較多。2.3.4 pci6221數(shù)據(jù)采集卡圖2.3 pci6221數(shù)據(jù)采集卡pci6221卡是一種基于pci總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在

41、ibm-pc/at或與之兼容的計算機內(nèi)的任一pci插槽中，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。其引腳圖如圖2.3，基本參數(shù)如下：（1）分辨率：16-bit（2）采樣率：250 ks/s， 16 路模擬輸入（3）兩路 16-位模擬輸出 （833 ks/s）（4）24 路數(shù)字 i/o； 32-位計數(shù)器；數(shù)字觸發(fā)（5）ni-mcal 校準支持（6）ni-daqmx 測試軟件和硬件配置程序支持（7）nist- 校準證書和

42、多余70種的信號調(diào)理模塊選擇第三章 虛擬無紙記錄儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成工程上使用具有pci、pxi、usb、并口及串口的計算機來獲取測試數(shù)據(jù)，稱之基于pc的daq系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般有兩種方案：一種是通過插入式的daq卡直接獲取數(shù)據(jù)傳輸給計算機；另外一種是由計算機外部的daq硬件獲取測試數(shù)據(jù)，然后通過各種總線，傳輸給計算機?；趐c的daq系統(tǒng)包含以下基本要素：（1）傳感器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計（rtd）、熱敏電阻器和ic傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閍dc可測量的模擬信號。（2）信號調(diào)理裝置從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，

43、或者是非線性的等等，這種信號在進入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等。（3）daq設(shè)備通過信號調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機的連接可以采用多種方式。ni的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括pci、pci express、pxi、pcmcia、usb、compactflash、ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字i/o、觸發(fā)采集和定時i/o。（4）pc及應(yīng)用驅(qū)動等軟件。軟件使pc與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系

44、統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器、dma和內(nèi)存這樣的計算機資源結(jié)合在一起。驅(qū)動程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅(qū)動程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。labview就是一個極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺。圖3.1所示為daq設(shè)備與計算機相連的整體系統(tǒng)框圖。圖3.1 daq設(shè)備與計算機相連的整體系統(tǒng)框圖在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)aq板卡初始化，板卡上和內(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

45、buffer？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作15。1.緩沖這里的緩沖指的是pc內(nèi)存的一個區(qū)域（不是daq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daq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

46、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daq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

47、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daq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)的例子。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)的例子。許多儀器提供數(shù)字輸出用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是daq卡。下列情況使用軟件觸發(fā)：（1）用戶需要對所有daq操作有明確的控制。（2）事件定時不需要非常準確。下列情況使用硬件觸發(fā)：（1）daq事件定時需要非常準確。（2）用戶需要削減軟件開支。（3）daq事件需要與外部裝置同步。3.2

48、數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)3.2.1 信號類型信號通常是指包含一定信息量的函數(shù)，這些函數(shù)可以是狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率等。根據(jù)信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬信號和數(shù)字信號。其中數(shù)字信號又可以分為開關(guān)信號和脈沖信號；模擬信號可以分為直流信號、時域信號和頻域信號。1.數(shù)字信號第一類數(shù)字信號是開關(guān)信號。一個開關(guān)信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關(guān)。ttl信號就是一個開關(guān)信號，一個ttl信號如果在25v之間，就定義它為邏輯高電平，如果在00.8v之間，就定義為邏輯低電平。第二類數(shù)字信號是脈沖信號。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

49、里。安裝在電動機軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖信號。有些裝置需要數(shù)字輸入，比如一個步進式電動機就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來控制位置和速度。2.模擬直流信號模擬直流信號是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號。直流信號中最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運載信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。3.模擬時域信號模擬時域信號與其他信號的不同在于，它在運載信息時不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化。在測量一個時域信號，即一個波形時，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、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，序列的時間間隔也應(yīng)該合適，以保證信號的有用部分被采集到。要以一定

50、的速度進行測量，這個測量速率要能跟上波形的變化。4.模擬頻域信號模擬頻域信號與時域信號類似，然而從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻域內(nèi)容的，而不是波形的形狀，是不隨時間變化的特性。3.2.2 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù)1.采樣頻率的選擇采樣率是輸入信號的最重要的參數(shù)之一。采樣率決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換（a/d）的頻率。較高的采樣率意味著在給定時間內(nèi)采集更多的點，所以可以更好地還原原始信號。而采樣率過低則可能會導致信號畸變。a) 充分采樣率時的信號b) 過低采樣率的采樣結(jié)果圖3.2 不同采樣率的采樣結(jié)果圖3.2顯示了一個信號分別用充分的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結(jié)果。采樣率過低的結(jié)果使還原信號的

51、頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混頻。根據(jù)奈奎斯特定理，為了防止發(fā)生混頻，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。對于某個給定的采樣率，能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號頻率高于奈奎斯特頻率，信號將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變?；祛l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。圖3.3顯示了這種現(xiàn)象。a) 實際信號的頻率組成b) 采樣后信號的頻率組成和混頻偏差圖3.3 說明混疊的例子假設(shè)采樣頻率fs是100 hz，再假設(shè)輸入信號還含有頻率為25 hz，70 hz，160 hz和 510 hz的成分，采樣的結(jié)果會怎樣呢？低于奈奎斯特

52、頻率（fs/2=50 hz）的信號可以被正確采樣。而頻率高于奈奎斯特的信號采樣時會發(fā)生畸變。例如，f1（25 hz）顯示正確，而在分別位于30 hz、40 hz和10 hz的f2、f3和f4都發(fā)生了頻率畸變。計算混頻偏差時需要用到下面這個等式：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采樣率應(yīng)當設(shè)成多少？您可能會首先考慮用daq板支持的最大頻率。但是，長期使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內(nèi)存或

53、者硬盤存儲數(shù)據(jù)。下圖顯示了采用不同的采樣頻率的效果。圖3.4 各種采樣率的效果在例a中，對一個頻率為f的正弦波形進行采樣，每秒采樣數(shù)與每秒周期數(shù)相等，也就是一個周期采樣一次，還原的波形出現(xiàn)了畸變，成了一個直流信號。如果把采樣率增大到每個周期采樣四次，如例b所示，波形的頻率提高了，頻率畸變比原始信號要?。?個周期）。例b中的采樣率是7/4f。如果把采樣率增加到2f，那么轉(zhuǎn)換后的波形具有正確的頻率（與周期數(shù)相同），并可以還原成原始波形，如例c所示。對于時域下的處理，可能需要您提高采樣率以接近于原始信號。通過把采樣率提高到足夠大，例如fs=10f，或者每周期采樣10次，就可以正確地復(fù)原波形，如例d所

54、示。2.使用抗混頻濾波器根據(jù)上面的討論我們已經(jīng)了解到，采樣率必須大于被采樣信號的頻率的兩倍。換句話說，信號的最高穩(wěn)定頻率必須小于或者等于采樣頻率的一半。但是在實際應(yīng)用中，怎樣才能保證這一點呢？即使已經(jīng)確定被測的信號有一個最大的頻率值，雜散信號（例如來自于輸電線路或者當?shù)貜V播電臺的干擾）可能會帶來比奈奎斯特頻率高的頻率。這些頻率很可能會混雜在需要的頻率范圍中，導致錯誤的結(jié)果。為了保證輸入信號的頻率全部在給定范圍內(nèi)，需要在采樣器和adc之間安裝一個低通濾波器（可以通過低頻信號但是削弱高頻信號的濾波器）。因為它通過對高頻信號（高于奈奎斯特信號頻率）進行削弱，減少了混頻信號的干擾，所以這個濾波器被稱為

55、抗混頻濾波器。這個階段數(shù)據(jù)仍然處于模擬狀態(tài)，所以抗混頻濾波器是一個模擬濾波器。一個理想抗混頻濾波器圖3.5所示：圖3.5 理想抗混頻濾波器它通過了所有需要的輸入頻率（低于f1），并過濾了所有不需要的頻率（高于f1）。但是，這樣的濾波器實際上并不可能實現(xiàn)。實際應(yīng)用中的抗混頻濾波器如圖b所示。它們通過所有低于f1的頻率，并過濾所有高于f2 的頻率。f1和f2之間的區(qū)域被稱為過渡帶，其中輸入信號逐步減弱。盡管您只希望通過所有頻率低于f1 的信號，但是過渡帶中的信號仍然可能會導致混頻。所以，在實際應(yīng)用中，采樣頻率應(yīng)當大于過渡帶的最高頻率的兩倍。因而采樣頻率就將比輸入頻率的兩倍還要大。這是采用頻率大于輸

56、入頻率最大值的兩倍的原因之一。3.2.3 信號調(diào)理的實現(xiàn)從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(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，因此，除了這些通用功能，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。下面僅介紹信號調(diào)理的通用功能。1.放大微弱信號都要進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)境噪聲影響以前已被放大，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

57、。使用隔離的原因有兩個：一是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(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。并且為了濾除信號中最高頻率以上的頻率信號，還需要抗混疊濾波器。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行線性化，以補償傳感器帶來的誤差。但目前的趨勢是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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，有時也有必要進行調(diào)理。調(diào)理的作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進行必要的整形或電平調(diào)理。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直接控制電磁閥、電燈、電動機等外部設(shè)備。3.2.4 采集信號的條件1.輸入的基本條件模擬輸入特性說明了daq產(chǎn)品的功能和精確度。在大多數(shù)daq產(chǎn)品中，基本特性包括通道數(shù)、采樣