实用资料基于labview和pci-6221板卡的多路数据采集系统设计

实用资料基于labview和pci-6221板卡的多路数据采集系统设计内容摘要：

载的信息的幅度 ｡常见的直流信号有温度 ､流速 ､压力 ､应变等 ｡采集系统在采集模拟直流信号时 ,需要有足够的精度 来 正确测量信号电平 ｡ tL e v e l 图 模拟直流信号 模 拟时域信号 (Time Domain)运载的信息不仅有信号的电平 ,还有电平随时间的变化 ,如图 所示 ｡在测量一个时域信号或者说是波形时 ,需要关注波形形状的特性 ,如斜度 ､峰 值等 ｡为了测量一个时域信号 ,必须有一个精确的时间序列 ,间隔也要合适 ,以保证信号的有用部分被采集到 ｡ 图 模拟时域信号 模拟频域信号 (Frequency Domain)与时域信号类似 ,但从频域信号中提取的信息是信号的频域内容 ,而不是波形的形状 ,也不是随时间变化的特性 ,如图 ｡用于测量一个频域信号的系统必须有必要的分析功能 ,用于从信号中提取频域信息 ｡为了实现这样的数内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 字信号处理 ,可以使用应用软件或特殊的 DSP 硬件来迅速而有效地分析信号 ｡模拟频域信号也很多 ,比如声音信号 ､传输信号等 ｡ 图 模拟频域信号 现实中的信号并不是互相排斥的 ,一个信号可能运载有不只一种信息 ,可以用几种 方式来定义信号并测量它 ,用不同类型的系统来测量同一个信号 ,从信号中取出需要的各种信息 ｡ 输入信号的连接方式 一个电压信号可以分为接地信号和浮动信号两种类型 ｡测量系统输入信号的连接方式可以分为差分 (Differential)输入 ､参考地单端 (RSE)输入 ､无参考地单端 (NRSE)输入三种类型 ｡ 1) 接地信 接地信号 ,就是将信号的一端与系统地连接起来 ,如大地或建筑物的地 ｡因为信号用的是系统地 ,所以与数据采集卡是共地 的 ｡接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线 ,如信号发生器和电源 ｡ 2) 浮动信号 一个不与任何地 (如大地或建筑物的地 )连接的电压信号称为浮动信号 ,浮动信号的每个端口都与系统地独立 ｡一些常见的浮动信号的例子有电池 ､热电偶 ､变压器和隔离放大器 ｡ 测量系统分类 1) 差分测量系统 (DEF) 差分测量系统中 ,信号输入端与一个模拟入通道相连接 ｡具有放大器的数据采集卡可内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 配置成差分测量系统 ｡图 描述了一个 8 通道的差分测量系统 ,用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换 ｡标有 AIGND(模拟输入地 )的管 脚就是测量系统的地 ｡ 一个理想的差分测量系统仅能测出 (+)和 ()输入端口之间的电位差 ,完全不会测量到共模电压 ｡然而 ,实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力 ,数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围 ｡共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能 ,可以用不同的方式来消除共模电压的影响 ｡如果系统共模电压超过允许范围 ,需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压 ,以避免测量数据错误 ｡ +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 图 八通道差分测量系统 2) 参考地单端测量系统 (RSE) 一个 RSE 测量系统 ,也叫做接地测量系统 ,被测信号的一端接模拟输入通道 ,另一端连接系统地 AIGND｡图 表示了一个 16 通道的 RSE 测量系统 ｡ +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 图 十六通道 RSE 测量系统 3) 无参考地单端测量系统 (NRSE) 在 NRSE 测量系统中 ,信号的一端接模拟输入通道 ,另一端接一个公用参考端 ,但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的 ｡图 说明了一个 NRSE 测量系统 ,内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 其中 AISENSE 是测量的公共参考端 ,AIGND 是系统的地 ｡ +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 图 十六通道 NRSE 测量系统 选择合适的测量系统 两种信号源和三种测量系统一共可以组成如表 1 的六种连接方式 : 表 1 测量系统连接方式 接地信号 浮动信号 DEF ☆ ☆ RSE ☆☆ NRSE ☆ ☆ 其中 ,推荐使用带☆号的方式 ｡从上表 1可以看出 ,浮动信号和差分连接方式的系统较好 ｡但实际测量时还要看情况而定 ｡ 1) 测量接地信号 测量接地信号最好采用差分或 NRSE测量系统 ｡如果采用 RSE测量系统时 ,将 会给测量结果带来较大的误差 ｡图 体现了一个用 RSE 测量系统去测量一个接地信号源的弊端 ｡在本例中 ,测量电压 Vm 是测量信号电压 Vs 和电位差 DVg 之和 ,其中 DVg 是信号地和测量地之间的电位差 ,这个电位差来自于接地回路电阻 ,可能会造成数据错误 ｡一个接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰 ｡一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法 ,测量隔离之后的信号 ｡ 如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小 ,就可以采用 RSE系统 ,因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小 ,信号源电压的测量值受到接地回内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 路的影响可以忽略 ｡ 信 号 地测 量 系 统 参 考 地V s＋－＋－＋－＋－＋－D V gV sD V gV m = V s + D V g= 图 RSE 测量系统测量浮动信号 2) 测量浮动信号 测量浮动信号可以采用 DEF､RSE､NRSE 方式测量浮动信号 ｡在差分测量系统中 ,应首先保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内 ｡如果采用差分或 NRSE 测量系统 ,放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围 ｡为了稳住信号电压 ,需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻 ,如图 所示 ｡这样就为放大器输入到放大器 的地提供了一个直流通路 ｡这些偏置电阻的阻值应该足够大 ,这样使得信号源可以相对于测量地浮动 ｡对低阻抗信号源来说 ,10kΩ到 100kΩ 的电阻比较合适 ｡ 如果输入信号是直流 ,就只需要用一个电阻将 ()端与测量系统的地连接起来 ｡然而如果信号源的阻抗相对较高 ,从免除干扰的角度而言 ,这种连接方式会导致系统不平衡 ｡在信号源的阻抗足够高的时候 ,应该选取两个等值电阻 ,一个连接信号高电平 (+)到地 ,一个连接信号低电平 ()到地 ｡如果输入信号是交流 ,就需要两个偏置电阻 ,以达到放大器的直流偏置通路的要求 ｡ 信 号 地测 量 系 统 参 考 地＋－＋－ 图 测量浮动信号 总的来说 ,不论测量接地还是浮动信号 ,差分测量系统是很好的选择 ,因为它不但避免内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 了接地回路干扰 ,还避免了环境干扰 ｡相反 ,RSE 系统却允许两种干扰的存在 ,在所有输入信号都满足以下指标时 ,可以采用 RSE 测量方式 :输入信号是高电平 (一般要超过 1V)。 连线比较短 (一般小于 5 米 )并且环境干扰很小或屏蔽良好。 所有输入信号都与信号源共地 ｡当有一项不满足要求时 ,就要考虑使用差分测量方式 ｡ 值得注意的一点是信号源的阻抗大小 ｡电池 ､RTD､应变片 ､热电偶等信号源的阻抗很 小 ,可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上 ｡直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错 ｡为了更好的测量 ,输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配 ｡ 信号调理 传感器部分是跟外界沟通的门户 ,负责把外界的各种物理信息 ,如光 ､压力 ､温度 ､声音等物理信号变成电信号 ｡因为被测试对象的信号来源已经是标准的电信号 ,所以传感器部分在设计中没有得到具体体现 ,但是这部分是设计过程中必需要考虑的 ｡ 从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备 ,信号调理功能包括放大 ､隔离 ､滤波 ､激励 ､线性化 等 ｡由于不同传感器有不同的特性 ,所以除了这些通用功能外 ,还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能 ｡信号调理的通用功能如下 : 1) 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声 ,使调理后信号的电压范围和 A/D的电压范围相匹配 ｡信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器 ,使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大 ,使信噪比得到改善 ｡ 2) 隔离 隔离是指使用变压器 ､光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号 ,避免直接的电连接 ｡使用隔离的原因 :是从安全的角度考虑。 二是隔离可使从数据 采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响 ｡如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差 ,而又不进行隔离 ,那么就有可能形成接地回路 ,引起误差 ｡ 3) 滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分 ｡大多数信号调理模块有低通滤波器 ,用来滤除噪声 ｡通常还需要抗混叠滤波器 ,滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号 ｡另外 ,某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器 ｡ 4) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号 ,比如应变传感器 ､热内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号 ｡很多信号调理模块都提供电流 源和电压源以便给传感器提供激励 ｡ 5) 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的 ,因而需要对其输出信号进行线性化 ,以补偿传感器带来的误差 ｡目前 ,数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题 ｡ 6) 数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号 ,有时也有必要进行调理 ,其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整 ｡大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块 ,使得用户可以通过数据采集卡的数字 I/O 比直接控制电磁阀 ､电灯､电动机等外部设备 ｡ 采样定理 采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系 ,是连续 信号离散化的基本依据 ｡ 采样定理具体描述如下 :模拟 /数字信号的转换过程中 ,当采样频率 ,最高频率 fmax 的 2 倍时 ,即 :=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息 ,一般取 倍的信号最大频率。 但一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5~10 倍。 采样定理又称奈奎斯特定理 ｡ 采样率 :(也称为采样速度或者采样频率 )定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数 ,采样频率的常用的表示符号是 fs｡ 注 :采样频率只能用于周期性采样的采样器 ,对于非周期 性采样的采样器没有规则限制 ｡ 数据采集及处理的过程 模拟信号采样过程主要为采样 ､量化和编码 ,具体过程如图 所示 : 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 图 模拟信号采样过程 计算机只能识别和处理数字量 ,但是绝大部分工程信号都是以连续可变的模拟量 ｡因此这些模拟量在被计算机处理之前必须经过模 数 (A/D)转换 ｡数据的采集就是在计算机控制下 ,通过 AD 器件把连续变化的模拟量转化为数字量 ｡它是将模拟信号按一定的时间间隔抽取其瞬时值 ,从而把一个连续时间函数信号变成每隔一定时间间隔才 有函数 值的离散信号样本集 ｡由计算机输出的结果为数字信号需要经过数 模 (D/A)转换才能符合实际需要 ｡数据转换包含两个方面 :一方面是模拟信号在进入计算机进行字处理之前的 A/D转换。 另一方面是数字信号从计算机中输出时要经过 D/A 转换才能适应工程应用 ｡ 数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号采样点太多 ,会占用大量内存单元。 采样点太少 ,会使模拟信号的某些信息被丢失 ,出现失真现象 ｡ 假设现在对一个模拟信号 x(t)每隔△ t 时间采样一次 ｡时间间隔△ t 被称为采样间隔或者采样周期 ｡它的倒数 l/△ t 被称为采 样频率 ,单位是采样数 /每秒 ｡t=0,△ t,2△ t,3△ t„„等等 ,x(t)的数值就被称为采样值 ,即 x(0),x(△ t),x(2△ t)都是采样值 ｡这样信号 x(t)可以用一组分散的采样值来表示 : {x(0),x(△ t),x(2△ t),x(3△ t),…,x(k △ t),…} 图 显示了一个模拟信号和它采样后的采样值 ｡采样间隔是△ t,注意 ,采样点在时域上是离散的 ｡ 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 0 1 2 3 4 5 6 71 0 . 500 . 51△ t△ t= 采样时间模拟信号采样图 图 模拟信号采样图 如果对信号 x(t)采集 N。