labview用户手册测量基本原理.doc
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1、4测量基本原理本章向您介绍对于数据采集设备和测量仪器的您需要熟悉的测量的概念。信号采集信号采集是一个转换物理量到电脑可以使用的数据的一个过程。测量开始于一个传感器转换物理现象到电信号。传感器可以生成电信号去测量类似温度,力,声音或光等物理现象。表4-1列出了一些通用传感器。表4-1现象和传感器现象传感器温度热电偶电阻式温度检测计温度计集成电路传感器光真空管光电传感器光敏电阻声音麦克风力和压力应变片压电式传感器测压元件位置(移位)电位计线性差动变送器变压器(LVDT)光编码器流量水头流量计旋转流量计超声波流量计pHpH电极信号源使用接地和未接地信号源的模拟输入采集。接地的信号源接地的信号源是一个
2、电压参考系统地的信号源,例如地球或建筑物的地,如图4-1所示。由于这样的源使用系统接地,它们与测量设备共享一个公共地。最常见的接地源的例子是通过墙上电源插座插入建筑地的设备,如信号发生器和电源。注释:两个独立信号源的地通常不具有相同的电势。两个连接相同建筑地的仪器的电势差通常在10mV到200mV。假如配电电路连接不对的,电势差还将更高,这就导致了接地环路的现象。图4-1接地信号源未接地信号源在一个未接地信号源内,电压信号没有参考任何公共地,例如大地或者是建筑地,如图4-2所示。常见的未接地信号源的例子有电池,热电偶,变压器和隔离放大器。注旨在图4-2内,没有源的终端连接到像图4-1所示的电源
3、插座地。每一个终端都与系统地独立图4-2未接地信号源信号调理信号调理是一个测量和操纵信号以提高准确度、隔离、滤波等的过程。为了测量来自传感器的信号,你必须把他们转换为数据采集设备能接受的形式。举个例子,热电偶的最大输出电压非常小并且对噪声很敏感。因此,你需要在热点输出电压数字化之前将他放大。这个放大就是信号调理的过程。信号调理的通常类型涉及放大,线性化,传感器激励和隔离。图4-3显示了一些通常的传感器和信号类型和每个需求的信号调理低通滤波器有高频噪声的信号交流转换负载或大电流机电式继电器或固态继电器共模或高压隔离放大(光学隔离)应变计电压激励,桥式接线,线性化电阻式温度检测计热电偶放大,线性化
4、和冷锻补偿电流激励,四线和三线接线,线性化信号调理传感器/信号图4-3传感器/信号的通常类型和信号调理放大是最通常的信号调理方式,放大电信号提高数字化信号结果的准确性,减少噪声的影响。放大在数据采集设备和SCXI模块(图4-4标记的外部放大)的低电平信号离信号源最接近用来提高信噪比(SNR)。为了尽也许的提高精读,放大信号以便于最大电压范围等于模拟数字转换(ADC)的最大输入范围。数据采集设备仪器放大器导线噪声外部放大器低电平信号图4-4源附近放大信号来增长信噪比(SNR)假如你在数据采集设备中放大信号, 随着噪声测量和数字化的信号也许已经进入导线,它减少了信噪比。但是假如你用SCXI模块在信
5、号源附近放大信号,噪声对信号的影响会更小,而数字化表达更好地反映了本来的低电平信号。参考National Instruments网页到提醒 这里有一些方法减少噪声:1 使用屏蔽电缆或双绞线电缆。2 最小化线长以减少导线获得的噪声。3 保持交流线远离交流电源和监控以减少50Hz到60Hz的噪声。线性化很多传感器例如热电偶对测量的物理量的改变有非线性响应。LabVIEW可以线性画来自传感器的电压电平。这样你就可以电压测得的现象缩放电压。LabVIEW对来自应变计,电阻式温度检测计,热电偶和温度计的转换电压提供缩放功能。传感器激励信号调理系统可以产生一些传感器对操作规定的激励。应变计和电阻式温度检测
6、器各自规定外部电压和电流。以激励其电路测量物理现象。这种激励类型类似于需要功率接受和音频信号解码的无线电。隔离用信号调节的另一种常见的方法是隔离来自计算机用于安全目的的传感器信号,当信号您的显示器中具有电压尖峰也许会损坏计算机或危害操作者,没有某种类型的隔离,信号不会直接连接到数据采集设备。你可以使用隔离来保证地的电势差来影响数据采集设备的测量。当您的数据采集设备和信号不可以参考相同的地电势,接地环路就有也许发生。接地环路也许会引起测量信号不准确的表达。假如在信号地和数据采集设备地电势差很大,也许会损坏测量系统,使用隔离的信号调理模块可以消除接地环路以保证信号可以准确地测量。测量系统您可以根据
7、您使用的硬件和您需要的测量配置测量系统差分测量系统差分测量系统类似于未接地信号源由于你采用的测量遵循浮动地不同于测量系统的地。差分测量系统的输入没有固定的基准,例如大地或建筑地。手持式,电池供电的仪器和用仪器放大器的数据采集设备是差分测量系统的一个例子。一个典型的美国国家仪器设备使用如图4-5所示的八通道差分测量系统。当只有一个仪器放大器存在,在信号途径中使用模拟多路转换器来增长测量通道的数量。在图4-5中模拟输入地(AIGND)管脚是测量系统的地。仪器放大器图4-5 差分测量系统共模一个抱负的差分测量系统仅仅对两个终端的电势差进行响应正极(+)和负极(-)输入。共模电压是任何您测量的关于仪器
8、放大器地表现在所有放大器输入的电压。一个抱负的共差分测量系统完全克制或者不测量共模电压。克制共模电压是有用的,由于不需要的噪声经常被电路里的共模电压引入,电路里的共模电压构成了测量系统的线路系统。但是,一些例如共模电压范围和共模克制比(CMRR)的因素限制实际的,真实世界的用来克制共模电压的差分测量系统。共模电压共模电压范围限制在关于测量系统地允许范围内的电压范围。违法这个限制不仅将导致测量误差并且也许损坏设备的元件。下面这个公式定义了共模电压(Vcm):V+是测量系统关于测量系统地为反转终端的电压,而V-是测量系统关于测量系统未反转终端的电压。共模克制比CMRR表达了差分测量系统克制共模信号
9、的能力。共模克制比是一个关于频率和随频率典型衰减的的函数。共模克制比越高,放大器在共模噪声中提取差分信号越好。使用平衡电路可以最优化共模克制比。大多数数据采集设备拟定共模克制比随着频率的幂线性增长,它是60Hz。下面的公式用分贝(dB)定义了CMRR:差模增益公模增益图4-6描述的是一个用以下式子用分贝描述CMRR的简朴电路这里V+V-=Vcm仪器放大器 图4-6共模克制比(CMRR)单端基准和单端非基准测量系统单端基准和单端非基准测量系统类似于接地的信号源由于您关于地进行测量。一个单端基准测量系统测量相对于地的电压(模拟地),它直接连接了测量系统地。图4-7显示了一个16通道单端基准测量系统
10、。仪器放大器模拟地图4-7单端基准测量系统数据采集设备经常使用单端非基准(NRSE)测量技术,或者伪差分测量,这是一种单端基准测量技术的变种。图4-8所示的是一个单端非基准系统仪器放大器模拟地图4-8单端非基准测量系统在一个单端非基准测量系统中,所有测量都是一直关于单端模拟输入感应(E系列设备的AISENSE),但这个节点的电势可以关于测量系统地(AIGND)而变化。一个单通道单端非基准测量系统与单通道的差分测量系统相同。信号源和测量系统的总结图4-9总结了连接信号源到测量系统的方法。输入信号源类型未接地信号源(没有连接建筑地)接地信号源举例未接地的热电偶隔离输出的信号调理电池设备举例不隔离输
11、出的外挂式仪器差分 (DIFF)看偏置电阻上的信息单端基准地(RES) 不推荐地环路损耗Vg是加在被测信号上的。单端非基准(NRSE) 看偏置电阻上的信息硬件计时VS软件计时当您需要获取或产生信号时,您可以使用硬件延时或者软件延时来控制。用硬件计时设备上的时钟可以控制速率。用软件计时时,用软件而非测量设备来拟定需要产生或者生成样本的速率。硬件时钟可以比软件循环运营得更快和更加准确。注意:一些设备不支持硬件计时。查阅设备文档来拟定设备是否支持硬件计时。采样率模拟输入和模拟输出中最重要的元素之一是测量设备采样引入信号的速率或者产生输出信号的速率。在NI-DAQmx中的扫描率或采样率来拟定模拟数字转
12、换(ADC)或数字模拟转换(DAC)产生的频率。更快的采样率规定比低采样率在限定期间内有更多的点和对原始信号更好地表达。混叠采样太慢会导致混叠,这种情况是模拟信号不对的的表达。欠采样导致信号显得好想与实际不同的频率。为了避免混叠,采样频率需要比信号的频率高出一些倍数。对于频率测量,根据奈奎斯特定律,采样速率必须超过您需要准确表达信号最高频率成分的两倍。奈奎斯特频率是对所给采样率您可以无混叠表达的最高频率。奈奎斯特频率是采样频率的一半。高于奈奎斯特频率的频率部分的信号在直流和奈奎斯特频率之间表现出混叠。混叠频率是在输入信号频率和与其最接近采样率的整数倍之差的绝对值。打个比方,假设采样频率fs是1
13、00Hz。又假设输入信号包含以下频率:25Hz,70Hz,160Hz和510Hz,如图4-10所示。采样频率奈奎斯特频率幅度频率图4-10 非混叠奈奎斯特频率低于乃奎斯特频率(fs/2 = 50 Hz)的频率可以被对的采样,如图4-11所示高于奈奎斯特频率的频率表现出混叠。举个例子F1(25 Hz)表现出对的的频率 但F2(70 Hz), F3(160 Hz), 和 F4(510 Hz)各自在30 Hz, 40 Hz, and 10 Hz有混叠。实线箭头-实际频率虚线箭头-混叠频率混叠混叠混叠采样频率奈奎斯特频率幅度图4-11混叠的奈奎斯特频率的例子使用下面的式子来计算混叠频率混叠频率= AB
14、S (离采样频率最近的整数倍输入频率)这里ABS表达绝对值,举个例子:混叠 F2= |100 70| = 30 Hz混叠 F3= |(2)100 160| = 40 Hz混叠 F4= |(5)100 510| = 10 Hz拟定采样多快您也许想在测量设备上可行的最高采样率采样。但是假如你在长时间内用不久的速度采样,您也许没有足够的内存硬盘空间来存储数据。图4-12表达了个种采样率的影响。图4-12多种采样率的影响例子A用与fs相同的频率采样正弦波。获得的采样结果在直流上混叠。但是,您增长采样率到2fs。波形数字化可以得到对的的频率和与原始波形相同数量的循环,但表现出三角波如例子B所示。通过增长
15、采样率大大高于fs,您就可以更加准确的复制波形在例子C中采样率是4fs/3。由于这个案例中奈奎斯特频率低于fs,(4fs/3 1)/2 = 2fs/3。采样率复制了一个不对的的频率和形状的混叠波形。数字I/0脉冲序列一种随时间连续变化的模拟信号。一种数字或二进制信号仅有两种也许的离散电平高电平(ON)或低电平(OFF)。图4-13图示了重要的信号类型。TTL线路表述高低电平数字速率计数器/定期器信号ADC/DAC(慢)电平直流ADC/DAC(快)时域模拟形状ADC(快)分析频率内容频域 图4-13 信号的类型一个数字信号的例子是TTL信号,一个TTL信号有以下特点,如图4-14所示: 0 V0
16、.8 V =逻辑低 2 V5 V = 逻辑高 最大上升/下降时间 = 50 ns不拟定的 低高 最大上升/下降时间图4-14 TTL信号数字线路和接口数字线路和接口是数字输入输出系统很重要的一部分。一条线路是独立信号,并且指的是一个物理终端。这条线传输的数据叫做比特,它的二进制值是1或0。术语线路和比特可以互相互换。端口是数字线路的集合,通常线路被提成8位端口,换句话说,带八条线路的端口。大多数E系列设备有一个八位端口。端口宽度指的是一个端口里线路的数量。举个例子,假如一个端口有八条线路,这个端口宽带是八。信号互换使用信号互换通过使用信号的互换来请求和应答每一次信号传输用来和外部设备通信。举个
17、例子,使用信号互换获得来自扫描仪的图像涉及以下几个环节。1 扫描仪在它扫描好一个图像并且准备传输数据发送一个脉冲到测量设备。2 测量设备读取8位,16位或者32位数字采样。3 测量设备发送一个脉冲到扫描仪,让扫描仪知道它已经读取了数字采样。4 扫描仪发送出另一个脉冲当它准备好另一个数字采样。5 测量设备接受到数字脉冲后,读取样本。这个过程反复直到所有采样传输完毕。 注意 不是所有设备支持信号互换。请参阅设备文档有关信号互换的支持信息。对于E系列设备,只有那些拥有八个以上的数字线路,那些有额外的板载芯片8255支持信号互换。触发触发是一种导致一个行为的信号,例如开始数据的采集。使用一个触发器假如
18、你需要设立测量在一定期间开始。举个例子,想像你想要测试 电路板对一个脉冲输入的响应。你可以使用脉冲输入作为触发告诉测量设备开始数据采集。假如你不使用这个触发,你不得不在应用测试脉冲前开始数据采集。当你配置一个触发器,你必须做出两个重要的决定:你想要触发器做什么和如何产生触发。假如你想要个触发来开始测量,使用开始触发器。假如你想要在触发发生前获得数据,使用参考触发器。也被称做停止触发器,用来在触发点前和触发点后捕获样本,它变成了样本里的参考位置。除了指定要触发引起的操作,你需要拟定触发的来源。假如您需要触发模拟信号,使用模拟边沿触发或模拟窗口触发。假如触发信号是数字的,你可以用PFI引脚作为源的
19、数字边沿触发。模拟边沿触发当一个模拟信号满足你指定的条件,诸如信号电平或上升沿下降沿的斜率,一个模拟边沿触发产生。当测量设备确认触发条件,它执行你与触发器相联系的动作,例如开始测量或者标记触发发生是获得的采样。在图4-15中,当信号到达3.2时,触发器因上升沿信号捕获数据。开始数据捕获的信号的电平和斜率图4-15模拟边沿触发举例模拟窗口触发当模拟信号通过(进入)通出(离开)两个电压电平离开规定期模拟信号触发发生。通过拟定窗口最高电压和最低电压拟定电平值。当信号进入窗口时触发器获取数据。窗底窗顶 图4-16进入模拟窗口的触发举例在图4-17中当信号离开窗口时触发器获得数据窗底窗顶图4-17 离开
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