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1、3.1.2 信号采集和数据采集卡3.1.2.1 信号采集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。由于具体电路不同，因此，除了这些通用功能，还要根据具体所测电路的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。下面仅是信号调理的通用功能。1.滤波：是指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。并且为了滤除信号中最高频率以上的频率信号，还需要抗混叠滤波器。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。2.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
2、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，信噪比得到改善。3.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。使用隔离的原因有两个：一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。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、热敏电阻等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
3、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。但目前的趋势是，数据采集系统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，有时也有进行调理的必要。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 直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。3.1.2.2 数据采集卡（NI PCI-6014）的基本参数及特性（1）基本参数：200kS/s 采样率、16 位精度的 16 路模拟输入2 路模拟输出、16 位精度（只指 PCI-6014）8 条数字 I/O 线（5VT
4、TL/CMOS） ；2 路 24 位的定时/计数器；数字触发；4 组不同的模拟输入范围；NI-DAQ 驱动程序简化配置和测量工作（2）操作系统Windows 2000/NT/XP/Me/9x（3）使用软件Lab VIEW（4）其它适用软件VBC/C+（5）驱动软体NI-DAQ（6）采集卡特性PCI-6014 数据采集卡有 100G 的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度。这一高输入阻抗性能还简化了许多问题，而这些是在设计外部电路时普遍存在的典型问题。PCI-6013 和 PCI-6014 采集卡能探测到模拟输入信号 4v 范围内的变化，从而为用户提供高质量的测量精确
5、度。为了更大程度减少数字化误差，这两款设备加入了许多技术，如防止温度漂移电路，以减少元部件升温而引起的误差。它们为您提供多种连接信号的方法，包括 8 个模拟输入通道有不同的模式、最大程度的噪声消除以及 16 路模拟输入通道的非接地单端模式。PCI-6014 卡具有数字触发、2 路 24 位 20MHz 定时/计数器及 8 条数字 I/O 线，该 I/O线既能与 5V TTL 也能与 CMOS 兼容。PCI-6014 具有两路 16 位模拟输出。(7) 驱动软件NI-DAQ 是一个非常强大的驱动软件，它包括了 NI 的所有数据采集和信号调理产品。这一简单易用的软件能将您的硬件产品与 Lab VI
6、EW、Lab Windows/CVI 及 Measurement Studio 紧密集成，从而能充分利用系统中硬件的所有功能。 NI-DAQ 的高性能还表现在多设备同步运行、网络化测量及 DMA 数据管理。NI-DAQ 所带的 MAX（Measurement & Automation Explorer）用设备测试面板、交互式测量方式及经过数值变换的 I/O 通道大大简化了用户测量硬件的配置安装工作。NI-DAQ 还提供许多能运行于 Lab VIEW 及其它应用程序开发环境的例程，能帮助您声速地上手开发并使用您的应用系统。DAQ 数据采集卡是构成本软件的关键硬件。在测量一个实际的物理信号时，必须
7、用一个传感器或转换器把物理信号转换为电信号，再通过一个信号调理电路对这些电信号进行处理，然后经过 AD 转换，将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，由虚拟仪器软件进行计算、分析、显示，并存储结果。数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字 I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及 A/D 来实现。通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D 的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的 A/D。数字 I/O 常用来控制过程、产生测试
8、信号、与外设通信等。其重要参数有：数字口路数、接收( 发送)率、驱动能力等。若输出用来驱动电机、灯、开关型加热器等电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，且所需电流要小于采集卡能提供的驱动电流。但若加上合适的调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的 TTL 电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字 I/O 常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。为了同步通信的需要，另外一些数字口还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是重要参数，应据具体的应用场合选择有合适参数的数字I/O。想要选择合适的数据采集卡，首先我们需要了解数据采集的信号类型及采样频率
9、的控制这两个核心问题。然后才能根据实验要求选择合适的数据采集卡。3.1.2.3 数据采集的主要指标采样速率：这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。多路复用：多路复用是使用单个模数转换器来测量多个信号的一种常用技术多路复用是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。模拟信号的信号调理硬件常对如温度这样缓慢变化的信号使用多路复用方式。ADC 采集一个通道后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往复。由于同一个 ADC 可以采集多个通道而不是一个通道，每个通道的有效采样速率和所采样的通道数呈反比。分辨率：模数
10、转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。一个 3 位变换器可以把模拟范围分为 23 或 8 个区间。每一个区间都由在 000 至 111 内的一个二进制码来表示。很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法，这是由于在转换过程中会丢失信息。然而，当分辨率增加至 16 位时，模数转换器的编码数目从 8 增长至 65,536，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，可以对模拟信号进行非常准确的数字化。量程：是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。NI 公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在
11、不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，可以使信号的范围匹配 ADC 的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。转换速率：转换速率是指数模转换器所产生的输出信号的最大变化速率。稳定时间和转换速率一起决定模数转换器改变输出信号值的速率。因此，一个数模转换器在一个小的稳定时间和一个高的转换速率下可产生高频率的信号，这是因为输出信号精确地改变至一个新的电压值这一过程所需要的时间极短。其他指标： 数据总线接口类型 同步采样 模拟输出 数字输入输出 触发是否隔离 是否有标定等等。根据以上指标，可以看出，在软件设计时，需要根据所测电机的数据来选择合适，对应的数据采集卡，这样才能将外部的物理信号转换为电
12、脑可以识别的合适信号，经过大量反复研究考虑，并结合现有实验情况，选定了由美国 NI（ National Instruments）公司生产的多功能数据采集卡 PCI-6014，它能够实现模数转换（ADC）、数模转换（DAC）数字式输出输入（I/O）以及计数/定时等多种功能。3.1.2.4 信号类型数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和配置采集系统。信号通常是指包含一定信息量的函数，这些函数可以是状态、速率、电平、形状、频率等。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。其中数字信号
13、又可分为开关信号和脉冲信号；模拟信号可分为直流信号、域信号和频域信号。它们分别对应了五个信息类型函数，如图所示:信 号数 字 量模 拟 量脉 冲 队 列开 关 / 信 号直 流 信 号时 域 信 号频 域 信 号状 态速 率电 平形 状频 率信号的分类1. 数字信号第一类数字信号是开/关信号。一个开 /关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。 TTL信号就是一个开/关信号，一个 TTL 信号如果在 2.0V 到 5.0V 之间，就定义它为逻辑高电平，如果在 0 到 0.8V 之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率
14、、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。2. 模拟直流信号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号中最重要的信息是它在给定区间内运载信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。3. 模拟时域信号模拟时域信号与其他信号的不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号，即一个波形时，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、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，序列的时间间隔也应该合适，以保
15、证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。4. 模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似，然而从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容的，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载多种信息，可以用几种方式来定义并测量它，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。3.1.2.5 采样频率的控制对于模拟信号的采集，一个重要的问题是采样频率的选取，即每秒钟采集的点数。采样率决定了模数转换（A/D）的频率。根据采样定理，采样频率必须是采集信号最高频率的两倍以上。如果给定了采样频率，那么能够正确
16、显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。图 2-3 显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。不同采样率的采样结果采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样频率整数倍的差的绝对值。由于本设计是针对 Y132M8 三相鼠笼型异步电动机，在介入数据采集卡之前，就要求将输入信号规定在-10V 10V 之间的标准信号，采样频率不得低于 100HZ。跟据以上要求，并结合实验实际，最终选定了由美国 NI 公司生产的多功能数据采集卡 PCI-6014。PCI-6014 数据采集卡有 100G 的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度。这一高输入阻抗性能还简化了许多问题，而这些是在设计外部电路时普遍存在的典型问题。PCI-6014 采集卡能探测到模拟输入信号 4V 范围内的变化，从而为用户
