虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集第十章信號(hào)分析與處理.ppt

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第九章數(shù)據(jù)采集9.1概述,是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。采樣頻率、抗混疊濾波器采樣頻率:時(shí)間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/Δt被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒.恩奎斯特頻率:如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率.混疊:采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同，這種信號(hào)畸變。,第九章數(shù)據(jù)采集9.概述,混頻偏差：是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。計(jì)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）。見講義例子圖8-3采樣頻率的設(shè)置：理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的２倍就夠了，實(shí)際上工程中選用５～１０倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。,第九章數(shù)據(jù)采集9.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成見圖9.1緩沖（Buffers）：是PC內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖），它用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理（圖形化、分析等）.下列情況需要使用BufferI/O：需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。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(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。,第九章數(shù)據(jù)采集9.1概述,下列情況可以不使用BufferI/O:數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。需要縮減存儲(chǔ)器的開支。觸發(fā)（Triggering）:采集卡等待一個(gè)外部?jī)x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)。下列情況使用軟件觸發(fā)：1、用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制。2、事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確。,第九章數(shù)據(jù)采集9.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,下列情況使用硬件觸發(fā)：1、采集事件定時(shí)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。9.3模入信號(hào)類型模入信號(hào)類型:見圖9.2根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。數(shù)字(二進(jìn)制)信號(hào)分為開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào).,第九章數(shù)據(jù)采集9.3模入信號(hào)類型,數(shù)字信號(hào):第一類數(shù)字信號(hào)是開關(guān)信號(hào)。TTL信號(hào)就是一個(gè)開關(guān)信號(hào).第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。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(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里.馬達(dá)軸上的光學(xué)編碼器的輸出就是脈沖信號(hào)。模擬直流信號(hào):模擬直流信號(hào)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。,第九章數(shù)據(jù)采集9.3模入信號(hào)類型,直流信號(hào)最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載的信息的幅度。常見的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。模擬時(shí)域信號(hào):在運(yùn)載信息時(shí)不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)時(shí)，也可以說是一個(gè)波形，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。模擬頻域信號(hào):模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，然而，從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號(hào)的連接方式,模入信號(hào)的連接方式:一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類型。測(cè)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.接地信號(hào)和浮動(dòng)信號(hào)接地信號(hào):接地信號(hào)，就是將信號(hào)的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因?yàn)樾盘?hào)用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。浮動(dòng)信號(hào):一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號(hào)稱為浮動(dòng)信號(hào).,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號(hào)的連接方式,一些常見的浮動(dòng)信號(hào)的例子有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。差分測(cè)量系統(tǒng):差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)輸入端分別與一個(gè)模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測(cè)量系統(tǒng)。見圖9.3參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(RSE):一個(gè)RSE測(cè)量系統(tǒng)，也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地AIGND。見圖9.4無參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(NRSE):在NRSE測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一端接一個(gè)公用參考端，,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號(hào)的連接方式,但這個(gè)參考端電壓相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。見圖9.5選擇合適的測(cè)量系統(tǒng):1、不論測(cè)接地還是浮動(dòng)信號(hào)，差分測(cè)量系統(tǒng)是很好的選擇，因?yàn)樗坏苊饬私拥鼗芈犯蓴_，還避免了環(huán)境干擾。2、明確信號(hào)源的阻抗，電池、RTD、應(yīng)變片、熱電偶等信號(hào)源的阻抗很小，可以將這些信號(hào)源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號(hào)調(diào)理硬件上，否則出錯(cuò)。為了更好的測(cè)量，輸入信號(hào)源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配。,第九章數(shù)據(jù)采集9.5信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等通用功能。放大：微弱信號(hào)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(hào)的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。隔離：隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。隔離的原因由兩個(gè)：一是從安全的角度考慮；另一個(gè)原因是隔離可使從數(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。,第九章數(shù)據(jù)采集9.5信號(hào)調(diào)理,濾波：濾波的目的是從所測(cè)量的信號(hào)中除去不需要的成分。大多數(shù)信號(hào)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(hào)中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號(hào)。激勵(lì)：信號(hào)調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┧璧募?lì)信號(hào)，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵(lì)信號(hào)。很多信號(hào)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(lì)。,第九章數(shù)據(jù)采集9.5信號(hào)調(diào)理,線性化：許多傳感器對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來的誤差。但目前的趨勢(shì)是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來解決這一問題。數(shù)字信號(hào)調(diào)理：即使傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，有時(shí)也有進(jìn)行調(diào)理的必要。其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)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(dòng)機(jī)等外部設(shè)備。,第九章數(shù)據(jù)采集9.6數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡,數(shù)據(jù)采集卡的功能：模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)。模擬輸入是采集最基本的功能，由多路開關(guān)（MUX）、放大器、采樣保持電路以及A/D來實(shí)現(xiàn)，A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量。模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。,第九章數(shù)據(jù)采集9.6數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡,數(shù)字I/O通常用來控制過程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)、接收(發(fā)送)率、驅(qū)動(dòng)能力等。數(shù)字I/O常見的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。計(jì)數(shù)器用于定時(shí)、產(chǎn)生方波等，計(jì)數(shù)器最重要的參數(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)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。,第九章數(shù)據(jù)采集9.6數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡,數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置：數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無須通過低層才能與采集卡硬件打交道。9.7多通道的采樣方式多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)模入通道，但是并非每個(gè)通道配置一個(gè)A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一個(gè)多路開關(guān)（MUX），以及放大器（AMP）、采樣保持器（S/H）等。,第九章數(shù)據(jù)采集9.7多通道的采樣方式,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。循環(huán)采樣是指采集卡使用多路開關(guān)以某一時(shí)鐘頻率將多個(gè)通道分別接入A/D循環(huán)進(jìn)行采樣。見圖9.6同步采樣方式:支持這種方式的數(shù)據(jù)采集卡每個(gè)通道使用獨(dú)立的放大器和S/H電路，經(jīng)過一個(gè)多路開關(guān)分別將不同的通道接入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。見圖9.7還有一種數(shù)據(jù)采集卡，每個(gè)通道各有一個(gè)獨(dú)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,第九章數(shù)據(jù)采集9.7多通道的采樣方式,間隔掃描（intervalscanning）用通道時(shí)鐘控制通道間的時(shí)間間隔，而用另一個(gè)掃描時(shí)鐘控制兩次掃描過程之間的間隔。通道間的間隔由實(shí)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(jí)的，效果接近于同步掃描。間隔掃描適合緩慢變化的信號(hào)，比如溫度和壓力。如圖9.8,第九章數(shù)據(jù)采集9.8LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊的分類,簡(jiǎn)易模入VIs(EaseAnalogVIs)中級(jí)模入VIs(IntermediateAnalogInputVIs)通用模入VIs(AnalogInputUtilityVIs)高級(jí)模入VIs(AdvancedAnalogInputVIs),第十章信號(hào)處理與分析10．１概述,本章將介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)，并介紹由上百個(gè)數(shù)字信號(hào)處理和分析的VI構(gòu)成的LabVIEW分析軟件庫。對(duì)于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)變得越來越重要。通過分析和處理數(shù)字信號(hào)，可以從噪聲中分離出有用的信息，并用比原始數(shù)據(jù)更全面的表格顯示這些信息。用于測(cè)量的虛擬儀器(VI)執(zhí)行的典型的測(cè)量任務(wù)有：,第十章信號(hào)處理與分析10．１概述,計(jì)算信號(hào)中存在的總的諧波失真。決定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，例如上升時(shí)間、超調(diào)量等等計(jì)算信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。估計(jì)信號(hào)中含有的交流成分和直流成分。測(cè)量的虛擬儀器如下的特性：輸入的時(shí)域信號(hào)被假定為實(shí)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(jìn)行了刻度，可用來直接進(jìn)行圖形的繪制。,第十章信號(hào)處理與分析10．１概述,計(jì)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(fù)頻率出現(xiàn)）需要時(shí)可以使用窗函數(shù)，窗是經(jīng)過刻度地，因此每個(gè)窗提供相同的頻譜幅度峰值，可以精確地限制信號(hào)的幅值。,第十章信號(hào)處理與分析10．2LabVIEW中的分析工具,SignalAnalysisExpressVI:AnalyzeWaveformmeasurementsWaveformConditioningWaveformMonitoringWaveformGenerationSignalProcessing(基本函數(shù)）PointbyPointMathematics,第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,信號(hào)發(fā)生(仿真信號(hào))：主要作用是供給DAC，以發(fā)生真正的模擬信號(hào)。例子10-1：使用BasicFunctionGenarator制作函數(shù)發(fā)生器。例子10-2：使用FormulaWaveform制作函數(shù)發(fā)生器。頻域分析：時(shí)域分析工具較少，所以常常把問題轉(zhuǎn)換到頻域來處理?；痉椒ㄊ荈FT。例子10-4：FFT變換（雙邊和單邊）(講義P56.4.1FFT變換),第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,諧波失真：當(dāng)一個(gè)含有單一頻率(比如f1)的信號(hào)x(t)通過一個(gè)非線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出不僅包含輸入信號(hào)的頻率（f1），而且包含諧波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1等等），諧波的數(shù)量以及它們對(duì)應(yīng)的幅值大小取決于系統(tǒng)的非線性程度。諧波失真的總量：諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對(duì)量。例子9.5(課本P235),,第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,數(shù)字濾波：數(shù)字濾波器是信號(hào)處理的重要內(nèi)容，在一些方面已經(jīng)取代模擬濾波器。數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)：1、可以用軟件編程。2、穩(wěn)定性高，可預(yù)測(cè)3、不會(huì)因溫度、濕度的影響產(chǎn)生誤差，不需要精度組件。4、很高的性能價(jià)格比。2類數(shù)字濾波器：無限沖激響應(yīng)（IIR）或者遞歸數(shù)字濾波器有限沖激響應(yīng)（FIR）或者非遞歸數(shù)字濾波器,第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,如果濾波器的沖激響應(yīng)在一定時(shí)間之后衰減為0，那么這個(gè)濾波器被稱為有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。如果沖激響應(yīng)一直保持，那么這個(gè)濾波器被稱為無限沖激響應(yīng)濾波器（IIR）IIR濾波器和FIR濾波器之間最基本的差別是，對(duì)于IIR濾波器，輸出只取決于當(dāng)前和以前的輸入值，而對(duì)于FIR濾波器，輸出不僅取決于當(dāng)前和以前的輸入值，還取決于以前的輸出值。簡(jiǎn)單地說，F(xiàn)IR濾波器需要使用遞歸算法。IIR濾波器的缺點(diǎn)是它的相位響應(yīng)是非線形的。應(yīng)用于不需要相位信息的情況。,第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,FIR濾波器的遞歸性增大了它的設(shè)計(jì)與執(zhí)行的難度。見例子10.6(課本P235)時(shí)域分析：PulseMeasurements函數(shù)，接受一個(gè)周期性的波形或數(shù)組，計(jì)算其周期、脈寬和占空比等。例子10.7:方波周期信號(hào)的測(cè)量(仿真產(chǎn)生方波，10HZ,躁聲幅值0.5V,高電平2V，低電平0V）例子10.8：自相關(guān)應(yīng)用(課本P239)曲線擬合：用于從一組數(shù)據(jù)中提取曲線參數(shù)或者系數(shù)，以得到這組數(shù)據(jù)的函數(shù)表達(dá)式。,第十章信號(hào)處理與分析10.3應(yīng)用舉例,LabVIEW的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合、非線性Levenberg-Marquardt擬合等。一般說來，采集得到的數(shù)據(jù)大都需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，其中包括濾波、曲線擬合等。例子略,大作業(yè),結(jié)合自己的專業(yè)，編寫程序或理解例程。1、注明是自己編寫還是例子。2、要求幾章知識(shí)的綜合,要有一定的難度。3、要給大家詳細(xì)講解最后一周的周五上課時(shí)間進(jìn)行答辯，15分鐘/人。答辯后交上作業(yè)。,評(píng)分準(zhǔn)則,是否是原創(chuàng)-----原創(chuàng)加分是否有難度-----分例程和原創(chuàng)講解是否清晰（30分鐘內(nèi)聽者明白）主講和輔講分略不同（主講15分鐘，回答問題15分鐘）,,圖9.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu),返回,,9.2信號(hào)分類圖,返回,,圖9.3差分測(cè)量系統(tǒng),返回,,圖9.4參考地單端測(cè)量系統(tǒng),返回,,圖9.5無參考地單端測(cè)量系統(tǒng),返回,,圖9.6循環(huán)采樣,返回,,圖9.7同步采樣,返回,,圖9.8間隔采樣,返回,