虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集第十章信號分析與處理.ppt

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第九章數(shù)據(jù)采集9.1概述,是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，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:時間間隔t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/t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而不發(fā)生畸變的最大頻率.混疊:采樣率過低的結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。,第九章數(shù)據(jù)采集9.概述,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。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）。見講義例子圖8-3采樣頻率的設置：理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的倍就夠了，實際上工程中選用倍，有時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)的構成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成見圖9.1緩沖（Buffers）：是PC內存的一個區(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)。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BufferI/O：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，或實時分析的速度。需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)（10樣本秒），并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。采樣周期必須準確、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，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。需要縮減存儲器的開支。觸發(fā)（Triggering）: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)。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。2、事件定時不需要非常準確。,第九章數(shù)據(jù)采集9.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成,下列情況使用硬件觸發(fā)：1、采集事件定時需要非常準確。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模入信號類型模入信號類型:見圖9.2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(二進制)信號分為開關信號和脈沖信號。模擬信號可分為直流、時域、頻域信號.,第九章數(shù)據(jù)采集9.3模入信號類型,數(shù)字信號:第一類數(shù)字信號是開關信號。TTL信號就是一個開關信號.第二類數(shù)字信號是脈沖信號。包括一系列的狀態(tài)轉換，信息就包含在狀態(tài)轉化發(fā)生的數(shù)目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里.馬達軸上的光學編碼器的輸出就是脈沖信號。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。,第九章數(shù)據(jù)采集9.3模入信號類型,直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。模擬時域信號: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時，也可以說是一個波形，需要關注一些有關波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。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容，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性。,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號的連接方式,模入信號的連接方式: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.接地信號和浮動信號接地信號: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。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.,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號的連接方式,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。差分測量系統(tǒng):差分測量系統(tǒng)中，信號輸入端分別與一個模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。見圖9.3參考地單端測量系統(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無參考地單端測量系統(tǒng)(NRSE):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，,第九章數(shù)據(jù)采集9.4模入信號的連接方式,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。見圖9.5選擇合適的測量系統(tǒng):1、不論測接地還是浮動信號，差分測量系統(tǒng)是很好的選擇，因為它不但避免了接地回路干擾，還避免了環(huán)境干擾。2、明確信號源的阻抗，電池、RTD、應變片、熱電偶等信號源的阻抗很小，可以將這些信號源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號調理硬件上，否則出錯。為了更好的測量，輸入信號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信號調理,信號調理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等通用功能。放大：微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調理后信號的電壓范圍和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系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。隔離的原因由兩個：一是從安全的角度考慮；另一個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信號調理,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。激勵：信號調理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號，比如應變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。,第九章數(shù)據(jù)采集9.5信號調理,線性化：許多傳感器對被測量的響應是非線性的，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。數(shù)字信號調理：即使傳感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有進行調理的必要。其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整。大多數(shù)數(shù)字信號調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、計數(shù)器/計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。模擬輸入是采集最基本的功能，由多路開關（MUX）、放大器、采樣保持電路以及A/D來實現(xiàn)，A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質量。模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉換器（D/A）的建立時間、轉換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。,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)生測試信號、與外設通信等。重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)、接收(發(fā)送)率、驅動能力等。數(shù)字I/O常見的應用是在計算機和外設如打印機、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。計數(shù)器用于定時、產(chǎn)生方波等，計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(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動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，驅動程序是由采集卡的供應商提供，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（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。見圖9.6同步采樣方式:支持這種方式的數(shù)據(jù)采集卡每個通道使用獨立的放大器和S/H電路，經(jīng)過一個多路開關分別將不同的通道接入A/D進行轉換。見圖9.7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,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。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,簡易模入VIs(EaseAnalogVIs)中級模入VIs(IntermediateAnalogInputVIs)通用模入VIs(AnalogInputUtilityVIs)高級模入VIs(AdvancedAnalogInputVIs),第十章信號處理與分析10概述,本章將介紹數(shù)字信號處理的基本知識，并介紹由上百個數(shù)字信號處理和分析的VI構成的LabVIEW分析軟件庫。對于實時分析系統(tǒng)，高速浮點運算和數(shù)字信號處理已經(jīng)變得越來越重要。通過分析和處理數(shù)字信號，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。用于測量的虛擬儀器(VI)執(zhí)行的典型的測量任務有：,第十章信號處理與分析10概述,計算信號中存在的總的諧波失真。決定系統(tǒng)的脈沖響應或傳遞函數(shù)。估計系統(tǒng)的動態(tài)響應參數(shù)，例如上升時間、超調量等等計算信號的幅頻特性和相頻特性。估計信號中含有的交流成分和直流成分。測量的虛擬儀器如下的特性：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。,第十章信號處理與分析10概述,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。,第十章信號處理與分析102LabVIEW中的分析工具,SignalAnalysisExpressVI:AnalyzeWaveformmeasurementsWaveformConditioningWaveformMonitoringWaveformGenerationSignalProcessing(基本函數(shù)）PointbyPointMathematics,第十章信號處理與分析10.3應用舉例,信號發(fā)生(仿真信號)：主要作用是供給DAC，以發(fā)生真正的模擬信號。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：時域分析工具較少，所以常常把問題轉換到頻域來處理?；痉椒ㄊ荈FT。例子10-4：FFT變換（雙邊和單邊）(講義P56.4.1FFT變換),第十章信號處理與分析10.3應用舉例,諧波失真：當一個含有單一頻率(比如f1)的信號x(t)通過一個非線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)的輸出不僅包含輸入信號的頻率（f1），而且包含諧波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1等等），諧波的數(shù)量以及它們對應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量。例子9.5(課本P235),第十章信號處理與分析10.3應用舉例,數(shù)字濾波：數(shù)字濾波器是信號處理的重要內容，在一些方面已經(jīng)取代模擬濾波器。數(shù)字濾波的優(yōu)點：1、可以用軟件編程。2、穩(wěn)定性高，可預測3、不會因溫度、濕度的影響產(chǎn)生誤差，不需要精度組件。4、很高的性能價格比。2類數(shù)字濾波器：無限沖激響應（IIR）或者遞歸數(shù)字濾波器有限沖激響應（FIR）或者非遞歸數(shù)字濾波器,第十章信號處理與分析10.3應用舉例,如果濾波器的沖激響應在一定時間之后衰減為0，那么這個濾波器被稱為有限沖激響應（FIR）濾波器。如果沖激響應一直保持，那么這個濾波器被稱為無限沖激響應濾波器（IIR）IIR濾波器和FIR濾波器之間最基本的差別是，對于IIR濾波器，輸出只取決于當前和以前的輸入值，而對于FIR濾波器，輸出不僅取決于當前和以前的輸入值，還取決于以前的輸出值。簡單地說，F(xiàn)IR濾波器需要使用遞歸算法。IIR濾波器的缺點是它的相位響應是非線形的。應用于不需要相位信息的情況。,第十章信號處理與分析10.3應用舉例,FIR濾波器的遞歸性增大了它的設計與執(zhí)行的難度。見例子10.6(課本P235)時域分析：PulseMeasurements函數(shù)，接受一個周期性的波形或數(shù)組，計算其周期、脈寬和占空比等。例子10.7:方波周期信號的測量(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：自相關應用(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)表達式。,第十章信號處理與分析10.3應用舉例,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?shù)奶幚?，其中包括濾波、曲線擬合等。例子略,大作業(yè),結合自己的專業(yè)，編寫程序或理解例程。1、注明是自己編寫還是例子。2、要求幾章知識的綜合,要有一定的難度。3、要給大家詳細講解最后一周的周五上課時間進行答辯，15分鐘/人。答辯后交上作業(yè)。,評分準則,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)結構,返回,9.2信號分類圖,返回,圖9.3差分測量系統(tǒng),返回,圖9.4參考地單端測量系統(tǒng),返回,圖9.5無參考地單端測量系統(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,