labview用户手册测量基本原理.docx
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labview用户手册测量基本原理
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
pH
pH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。
因为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。
如果配电电路连接不正确，电势差还将更高，这就造成了接地环路的现象。
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。
注意在图4-2内，没有源的终端连接到像图4-1所示的电源插座地。
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而且对噪声很敏感。
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包括放大，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
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，放大电信号提升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）。
为了尽可能的提高精读，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。
仪器放大器
导线
噪声
低电平信号
图4-4源附近放大信号来增加信噪比（SNR）
如果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可能已经进入导线，它降低了信噪比。
但是如果你用SCXI模块在信号源附近放大信号，噪声对信号的影响会更小，而数字化表示更好地反映了原来的低电平信号。
参考NationalInstruments网页到
提示这里有一些方法降低噪声：
1．使用屏蔽电缆或双绞线电缆。
2．最小化线长以降低导线获得的噪声。
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要求的激励。
应变计和电阻式温度检测器各自要求外部电压和电流。
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含有电压尖峰可能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。
你可以使用隔离来确保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能够参考相同的地电势，接地环路就有可能发生。
接地环路可能会引起测量信号不准确的表示。
如果在信号地和数据采集设备地电势差很大，可能会损坏测量系统，使用隔离的信号调理模块可以消除接地环路以确保信号可以准确地测量。
测量系统
您可以根据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因为你采取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，在信号路径中使用模拟多路转换器来增加测量通道的数量。
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
一个理想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放大器地表现在所有放大器输入的电压。
一个理想的共差分测量系统完全抑制或者不测量共模电压。
抑制共模电压是有用的，因为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抑制比（CMRR）的因素限制实际的，真实世界的用来抑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而且可能损坏设备的元件。
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。
共模抑制比
CMRR表示了差分测量系统抑制共模信号的能力。
共模抑制比是一个关于频率和随频率典型衰减的的函数。
共模抑制比越高，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抑制比。
大多数数据采集设备确定共模抑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:
图4-6描述的是一个用以下式子用分贝描述CMRR的简单电路
这里V++V-=Vcm
图4-6共模抑制比（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因为您关于地进行测量。
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。
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确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行得更快和更加准确。
注意：
一些设备不支持硬件计时。
查阅设备文档来确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确定模拟数字转换（ADC）或数字模拟转换（DAC）产生的频率。
更快的采样率要求比低采样率在限定时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正确的表达。
欠采样造成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示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示的最高频率。
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100Hz。
又假设输入信号包含以下频率：
25Hz，70Hz，160Hz和510Hz，如图4-10所示。
幅度
图4-10非混叠奈奎斯特频率
低于乃奎斯特频率（fs/2=50Hz）的频率可以被正确采样，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（25Hz）表现出正确的频率但F2（70Hz）,F3（160Hz）,和F4（510Hz）各自在30Hz,40Hz,and10Hz有混叠。
实线箭头---实际频率
虚线箭头---混叠
频率
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=ABS（离采样频率最近的整数倍－输入频率）
这里ABS表示绝对值，举个例子：
混叠F2=|100–70|=30Hz
混叠F3=|
（2）100–160|=40Hz
混叠F4=|（5）100–510|=10Hz
确定采样多快
您可能想在测量设备上可行的最高采样率采样。
但是如果你在长时间内用很快的速度采样，您可能没有足够的内存硬盘空间来存储数据。
图4-12表示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，您增加采样率到2fs。
波形数字化可以得到正确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。
通过增加采样率大大高于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。
因为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正确的频率和形状的混叠波形。
数字I/0
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可能的离散电平—高电平（ON）或低电平（OFF）。
图4-13图示了主要的信号类型。
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：
•0V–0.8V=逻辑低
•2V–5V=逻辑高
•最大上升/下降时间=50ns
高
最大上升/下降时间
图4-14TTL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相互交换。
端口是数字线路的集合，通常线路被分成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，如果一个端口有八条线路，这个端口宽带是八。
信号交换
使用信号交换通过使用信号的交换来请求和应答每一次信号传输用来和外部设备通信。
举个例子，使用信号交换获得来自扫描仪的图像包括以下几个步骤。
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．测量设备接收到数字脉冲后，读取样本。
这个过程重复直到所有采样传输完毕。
注意不是所有设备支持信号交换。
请参阅设备文档有关信号交换的支持信息。
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支持信号交换。
触发
触发是一种造成一个行为的信号，例如开始数据的采集。
使用一个触发器如果你需要设置测量在一定时间开始。
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。
如果你不使用这个触发，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，你必须做出两个主要的决定：
你想要触发器做什么和如何产生触发。
如果你想要个触发来开始测量，使用开始触发器。
如果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，你需要确定触发的来源。
如果您需要触发模拟信号，使用模拟边沿触发或模拟窗口触发。
如果触发信号是数字的，你可以用PFI引脚作为源的数字边沿触发。
模拟边缘触发
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时模拟信号触发发生。
通过确定窗口最高电压和最低电压确定电平值。
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离开模拟窗触发的举例
数字边沿触发
数字边沿触发通常是一个有两个分离电平的TTL信号：
一个高电平和一个低电平。
数字信号产生一个下降沿时，从高电平到低电平移动。
数字信号产生一个上升沿时，从低电平到高电平移动。
可以产生基于数字信号的上升沿或下降沿开始或参考触发器。
在图4-18，数据获取开始与下降沿数字触发信号之后。
你通常可以在NI测量设备上连接一个数字触发信号到PFI管脚。
、
TTL信号
图4-18数字触发
信号分析
信号分析是转换获取信号到提取信号信息，滤除来自信号的噪声，把未加工信号展现信号更加能可以理解的形式的过程。
滤波和加窗是两种信号分析技术。
参考LabVIEW分析概念手册或有关信号分析的更多信息。
滤波
滤波是最常用的信号处理技术之一。
信号调理系统可以滤除不需要的信号或来自你测量信号的噪音。
在测低速率或缓慢变化的信号例如温度时使用一个噪声滤波器，以消除较高频率的信号，可以提高信号的精度。
滤波器的一个常见使用是消除50或60Hz交流电源线的噪声。
一个4Hz的低通滤波器移除50或60Hz来自低速率被采样信号的噪音。
低通滤波器消除了所有高于截止频率信号的频率成分。
许多信号调理模块有两个具有软件可选的截止频率从10Hz至25kHz的低通滤波器。
请参阅第4章，数字滤波，LabVIEW的分析概念手册有关滤波的详细信息。
加窗
使用加窗或平滑窗口，里减少与截断波形相关频谱泄漏。
频率泄漏
频率泄漏是这样一种现象，由此测得的频谱能量似乎从一个频率泄漏到其它频率。
它发生在当一个取样波形中不包含的时间周期的整数倍以上被采样期间。
用于减少频谱泄漏的技术是由一个窗函数相乘的时域波形。
离散傅立叶变换（DFT）和快速傅立叶变换（FFT）被认为解决给定的信号转换成正弦和余弦的和的数学技术。
它是依据频谱分析。
使用DFT/FFT当你采样到一个非整数周期，例如7.5个周期,返回到看上去好像一个频率的能量泄漏到所有其他频率的频谱因为快速傅立叶变换假设数据是一个单周期重复的简单周期信号。
人工不连续信号表现为非常高的频率，不能显示出原始信号。
因为这些频率高于奈奎斯特频率，它们出现频率0到fs/2的之间的混叠。
使用窗口的类型取决于你获得的信号的类型和应用。
选择正确的窗口要求您对所分析的信号有一定的了解。
表4-2列出了窗口的常见类型，适当的信号类型和应用实例。
窗口
信号类型和描述
应用
矩形窗
（无窗）
瞬态信号的长度比窗的长度短，在一定时间区间内缩短窗的长度
阶比跟踪，系统分析（伪随机激励频率响应测量，两种频率非常接近，但幅度几乎相同的音调分离）
三角窗
三角形形状的窗口
一般用途的应用
汉宁窗
比窗口长度长的瞬时信号
一般用途的应用，对随机激励的系统分析（频率响应测量）
海明窗
比窗口长度长的瞬时信号；在边缘不连续的修正版汉宁窗
经常用于语音信号处理
布莱克曼窗
瞬时信号；与汉宁窗和海明窗相似但添加了额外的余弦形式来减少纹波
一般用途的应用
平顶窗
在所有窗中有最好的幅度准确性但限制频率选择性
准确单音调没有相近频率成分的幅度测量
注意：
在很多情况下，你可能对信号没有足够的知识，所以你需要对不同的窗口进行实验来选择最好的。
设备校准
校准包括核对设备的测量准确性和调整任何仪器误差。
验证包括测量设备的性能和比较这些对于工厂规格的测量。
在校准期间，您提供和读取电平使用外部标准，并调整设备的校准常数。
设备在EPROM中存储新的校准常数，当需要调整设备测量误差时，装载内存里的校准常数。
两种校准存在：
外部校准和内部或者自我校准。
有关校准设备的详细信息，请参阅美国国家仪器公司网站Calibration
外部校准
外部校准，其中计量实验室通常执行，需要使用高精度的电压源来验证并调整校准常数。
此过程替换了所有EPROM里的校准常数，相当于一个工厂校准。
因为外部校准过程改变了所有EPROM常数，它是原来的国家标准与技术研究院（NIST）的可追溯性证明无效化。
.如果有NIST认证的电压源进行外部校准，一个新的NIST溯源颁发证书。
内部校准
内部校准或自校准使用一个软件命令，不需要外部的连接。
自校准调整使用设备外部变量的环境如温度，可能不同于那些在环境中进行外部校准的设备。
5创建一个典型的测量应用
本章介绍了常见的LabVIEW的功能，你可以用它来开发测量应用程序，采集，分析，和提出的测量数据。
I/O控制
使用位于I/O面板的I/O控制来指定要与之通信的仪器或设备资源。
您所选择的控制取决于仪器或设备。
在空白图表上连线I/O终端到面板或者传统的NI-DAQ，NI-DAQmx,IVI,VISA,定义场点或者运动VI线终端。
您必须安装必要的驱动程序和使用I/O名称控件之前连接必要的设备连接至计算机。
注意:
所有的I/O名称控件和常量可以在所有平台上有效。
但是如果您尝试运行一个I/O控制特定平台的VI，这个平台不支持设备，您将收到一条错误。
传统DAQ通道控制
如果你是用传统NI-DAQ去控制一个DAQ设备，用MAX或其它配置实用程序使用传统DAQ通道控件访问您的通道。
你配置的任何渠道表现为传统DAQ通道控制下拉菜单选项。
右键单击控件并选择I/O名称过滤从快捷菜单中根据配置过滤通道。
（Windows）要创建一个使用MAX的新通道，用鼠标右键单击该控件，然后从快捷菜单中选择创建新通道启动MAX。
DAQmx的名称控件
如果你使用NI-DAQmx来控制一个数据采集设备，使用DAQmx名称控件上的控制来访问你使用MAX和DAQ助手配置的任务，尺度，设备，全局变量和开关。
右键单击控件并选择I/O名称过滤从快捷菜单过滤基于配置的选项。
请参阅本章的物理和虚拟通道部分，来了解使用NI-DAQmx任务的详细信息。
IVI逻辑名称控件
使用IVI逻辑名称控件与IVI仪器驱动程序来访问你配置使用MAX的逻辑名称。
逻辑名称出现在IVI逻辑名称控制下拉菜单，并参考使用IVI仪器驱动程序的仪器。
IVI逻辑名称控件也显示特定IVI驱动的VISA资源名称，而不实用MAX.
VISA资源名称控件
使用VISA资源名称控件来访问你使用MAX配置的VISA别名。
VISA别名和VISA资源名称出现在VISA资源名称控制下拉菜单。
场点的I/O点控制
使用场点的I/O控制点来访问你创建和使用MAX配置的场点项目。
任何你用MAX配置的项目出现在场点的I/O点控件下拉菜单选项。
运动资源名称控件
使用运动资源名称控件来访问你使用MAX配置的运动资源。
右键单击控制和选择从快捷菜单中允许未定义名称，来使用名称，而不使用MAX。
多态VI
许多传统的NI-DAQ和NI-DAQmx的VI是多态的，可以接受或返回不同的类型，如标量值，数组或波形数据。
可以使用其他的多态NI-DAQmx的VI来配置各种触发和采样时间的方法，并创建虚拟通道。
默认情况下，NI-DAQmx的VI的出现多态VI选择器。
参见第5章LabVIEW用户手册关于多态VI的多态VI和函数部分详细信息，创建程序框图。
属性
你可以只使用NI-DAQmx，NI-VISA和IVI仪器驱动应用程序界面的VI写大多数应用。
您还可以使用这些API扩展功能的属性，来包含不太常用的功能。
例如，您可以使用VISA配置串口VI设定的VISA会话几种常用的串口设置，包括波特率。
但是，如果你想只改变波特率，可以使用属性节点。
使用在DAQmx面板的属性节点为NI-DAQmx配置各种低级别的设置。
为任何VISA属性，使用在VI高级面板上的属性节点。
在模块化的API仪器面板和IVI仪器驱动面板各自使用属性节点。
创建一个典型的数据采集应用
使用在NI测量面板上的VI来开发数据采集应用。
根据图5-1基本的程序化步骤，来创建一个数据采集应用。
数据清除
读或写数据
设定触发（可选）
设定定时（可选）
创建任务和通道
图5-1创建DAQ应用的基本步骤
注意定时和触发是可选的。
包括定时步骤如果你想要用硬件定时代替软件定时。
如果你使用NI-DAQmx，你可以使用DAQ助手来设定任务的定时参数。
如果你想要仅仅满足一定条件下设备获得采样数据，可以使用触发。
举个例子，你可能想要获得采样如果输入信号超过4V。
如果你使用NI-DAQmx，你可以使用DAQ助手来配置任务的触发。
许多NI-DAQmx应用程序也可以包括步骤启动，停止和清除任务步骤。
举个例子，对于使用计数器/定时器来计边沿或测量周期的应用，使用开始VI来装配计数器。
在NI-DAQmx里，当创建的VI层次任务执行完毕，LabVIEW自动清除任务。
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