[LabVIEW随笔-6] -信号处理

1、模拟量输输入

通道数:
用于设置采集模拟量时的路数。另外,要注意所需输入信号是差分信号还是单端信号,因为每一路差分信号要占用采集卡两个采集通道
单端信号输入个数=采集卡通道数;
差分信号输入个数=采集卡通道数/2

单端输入:
输入信号均以共同的地线为基准,所测量值即检测信号与GND的电压差值

差分输入:

差分输入时信号两端均浮地,所采集的是两个信号线的电压差。信号受干扰时,差分输入的两线会同时受影响,但是两线之间的电压差变化不大,即抗共模干扰性较好
一般采集卡均支持单端和差分两种信号输入方式

单极信号：

该信号电平均大于0V,典型值为0~10V
双极性信号:

该信号电平可以为正负两种极性,属于双极性输入,典型值为-5~+5V

模拟输入阻抗:

较高的输入阻抗可以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模拟输入阻抗,一般输入阻抗大于10mΩ

采样/保持
该参数用于将输入的连续标准模拟信号,变换成时间上离散的采样信号

A/D转换器

用于在经过了采样/保持后,将幅值在采样时间内仍然是连续的模拟信号转换成数字信号,并将采样信号的幅值用二进制代码来表示

FIFO缓冲器:

经过A/D转换后,数字信号首先会暂存于采集板卡上的FIFO。FIFO保证了数据的完整性,有效减小了在完成了A/D变换后数据丢失的可能性

采样速率:

用于设置单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数,是数据采集卡的重要技术指标

多路复用:

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。常对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

分辨率:

分辨率是指A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。表示ADC的位数，设A/D转换器的位数为n,满量程电压为FSR,则
A/D转换器的分辨率定义为:
分辨率=1LSB=FSR/2^n
式中1LSB即量化单位。从公式中可以看出,A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少

精度:

精度是反映一个实际n位A/D转换器与一个理想n位A/D转换器差距的重要指标之一,分为绝对精度和相对精度两种。通常以误差的形式来给出精度

隔离:

为了安全,把传感器的信号和计算机相隔离。被监测的系统可能产生瞬态的高压,如果不使用信号调理,这种高压会对计算机造成损害

 编码宽度:

是信号变化时系统能检测到的最小变化值(由分辨率和设备输入范围决定)

更小编码宽度 = 更精确地表达信号

编码宽度 = 输入范围/2^n

 

2、模拟量输出

　　D/A转换

　　D/A转换率

3、数字量输入:

　　TTL输入

　　CMOS输入

　　晶体管输入的源端与漏端

4、数字量输出:

继电器

 

5、信号采集卡与信号接地

可参考:单端、参考单端、差分、伪差分 - 蛮哥哥 - 博客园

　　模拟信号接地:

　　有参考点的单点接地

　　无参考点的单点接地

　　差分方式

  5.1 有参考点的信号输入

　　单点接地方式中信号源是不接地的，采集设备的负载与大地相连

 　　　　　　图1 有参考点的单点接地  信号浮地

　　一般计算机机箱或者PXI机箱的PE(保护地)是与采集卡AIGND(Al接到大地的参考地)相互连接的。
　　如果机箱PE不进行隔离处理,我们就采用这种有参考地的单点接地方式。

　　　　　　　　

 　　　　　　　　　　　　　　图2 有参考的单点接地(信号接地)

  5.2 无参考点的信号输入

　　无参考的单点接地(信号浮地)中,信号源与采集设备均不与信号地相连接。

　　　　　　　　

　　                          　　　　　　　　图3 无参考的单点接地(信号浮地)

 　　　　无参考的单点信号接地中,信号源与信号地相连接。如果计算机想实现无参考的单点接地信号浮地方式,需要将计算机外接隔离变压,将整个计算机浮地。　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 无参考的单点接地(信号接地)

  5.3 差分信号输入　

 　　　　　　　　　　图5  差分输入(信号浮空)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5  差分输入(信接地)

 

6、采样定理

如果带宽一定的连续信号中不含有超过其采样频率一半的频率分量,则该采样信号可以无失真地重建原信号,这一采样定理称为奈奎斯特定理。
如果模拟信号以高于其最高频率分量两倍的频率上进行采样,当将其转换回模拟域时,仍可以进行无失真地信号重建。该采样率称为奈奎斯特频率

奈奎斯特定律仅仅能还原出频率信号,采样频率一般取原始信号最高频率的2.56~4倍,而
为了能充分保持原始信号的形状,工程上采样频率至少为原始信号最高频率的5~10倍

 

混叠:

在A/D转换中,根据奈奎斯特定律,采样速率必须室少是模拟信号最大带宽的两倍。如果采样速率不满足这一条件,较高的频率成分将被"欠采样",并被搬移到较低的频段(频
谱搬移)。被搬移的频率成分即所谓的混叠。所搬移的频率也称为"混叠频率",因为从频谱图上看,高频成分与频带的欠采样部分重叠在一起

过采样:

采样速度Fs、远大于原始信号频率Fn、时,称M=Fs/Fn为"过采样比"。其中,M远大于1。过采样可以压缩基带内量化噪声,降低对输入端模拟滤波器的要求等

 

7、采样模式

　　测量转变成您计算机中的数字的两个步骤:

　　　　第一步是由DAQ硬件决定的。这一步是将输入的电压值实际转化为RAM缓冲区中比特的过程。这是由硬件中的模数转换器(ADC)实现的

　　　　第二步是将缓冲区的比特读取出来的过程。这些比特在大多数情况下是按照浮点数的格式读取出来的，而这都是由计算机中的CPU和CPU中的程序实现的

　　7.1 连续采样:

　　　　连续采样意味着DAQ硬件连续地按照采样时钟设定的速率，将输入的电压转化为缓冲区的比特。如果担心计算机或程序的延迟会导致漏掉采样的点，那么连续采样将会是一种好的选择。

　　　　DAQ硬件采样的速度总是由采样时钟设置决定的，而这一部分的采集是完全由硬件实现的。硬件的采样是非常快速并且稳定的，同时软件的读取是异步的，并且是以一个不定的速率进行的。为了解决这个冲突，DAQ板卡采用了缓冲区的结构。

　　　　对于连续采样任务，当“开始任务”vi运行的时候，采集就开始了。

　　　　由于它需要一定的开支以及与CPU的交互，这个vi只能允许在While循环的前面。之后，在一个循环内，DAQmx开始实际地读取缓冲区。

　　　　因此解释了为什么一次要读很多的点，因为如果一次读得太少，就会引起缓冲区的溢出。DAQ驱动仅允许在一个连续采样中读取两个或更多的采样。

　　　　如果发现每次只需要一个采样，那么就应该考虑一下重新设计程序或者采样模式了。

　　　　如果设定的读取点数(每通道采样数)超过了缓冲区已经准备好的数据，那么DAQmx读取vi就会一直等待采样点数充足之后才结束。这会表现为图形刷新过程中会有一定的延迟，但是并不意味着有采样点被遗漏了。

　　　　采样点数设置为-1，则会在每次读取尽可能多的采样点

 

　　　7.2 有限点采样

　　　　在已知需要的总共采样点数情况下的采集任务，尤其是用在带触发的采样任务中。

　　　　例如，可能需要在某个触发信号开始之后采集10秒钟长度的数据，就可以使用有限点采样。

　　　　有限点的模式仅仅缓冲调用“开始任务”这个VI的时候。DAQmx函数将从缓冲区中将这些数据读取出来，因此需要设定采样的数目N。这种任务与While循环或者状态机是相互匹配的。