Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Шифр 320733N-01





Авторское право

© 1993–2010 National Instruments Corporation. All rights reserved.

Согласно законам об авторском праве, это руководство нельзя переиздавать и распространять как в электронной, так и в печатной форме путем ксерокопирования, перезаписи, хранения в информационно-поисковых системах. Также нельзя осуществлять полный или частичный перевод без предварительного письменного разрешения корпорации National Instruments.

National Instruments относится с уважением к интеллектуальной собственности и призывает к этому же своих клиентов. Программное обеспечение NI защищено законами об охране авторских прав и прав на интеллектуальную собственность. Вы имеете право передавать программное обеспечение и прочие материалы, разработанные с помощью программного обеспечения National Instruments, третьим лицам в соответствии с условиями приобретенной Вами лицензии и другими законодательными ограничениями.

Торговые марки

CVI, National Instruments, NI, ni.com и LabVIEW являются торговыми марками корпорации National Instruments. За более подробной информацией торговых марках корпорации National Instruments обратитесь к разделу Terms of Use на сайте ni.com/legal.

Tektronix® and Tek являются зарегистрированными торговыми марками корпорации Tektronix, Inc. Марка LabWindows используется под лицензией Microsoft Corporation. Windows является зарегистрированной торговой маркой Microsoft Corporation в Соединенных Штатах. United States. Названия других упомянутых в данном руководстве изделий и производителей также являются торговыми марками, у которых есть правообладатели.

Члены программы партнерства National Instruments Alliance Partner Program являются коммерческими организациями, независимыми от National Instruments, но не подразделениями National Instruments или совместными c National Instruments предприятиями

Патенты

Для получения информации о патентах, которыми защищены продукция или технологии National Instruments, запустите команду Help»Patents из главного меню Вашего программного обеспечения, откройте файл patents.txt на имеющемся у Вас компакт-диске или зайдите на сайт ni.com/patents.


Техническая поддержка по всему миру и информация о выпускаемой продукции

ni.com

Штаб-квартира корпорации National Instruments

11500 North Mopac Expressway Austin, Texas 78759-3504 USA Tel: 512 683 0100

 

Офисы по всему миру

Australia 1800 300 800, Austria 43 662 457990-0, Belgium 32 (0) 2 757 0020, Brazil 55 11 3262 3599, Canada 800 433 3488, China 86 21 5050 9800, Czech Republic 420 224 235 774, Denmark 45 45 76 26 00, Finland 358 (0) 9 725 72511, France 01 57 66 24 24, Germany 49 89 7413130, India 91 80 41190000, Israel 972 3 6393737, Italy 39 02 41309277, Japan 0120-527196, Korea 82 02 3451 3400, Lebanon 961 (0) 1 33 28 28, Malaysia 1800 887710, Mexico 01 800 010 0793, Netherlands 31 (0) 348 433 466, New Zealand 0800 553 322, Norway 47 (0) 66 90 76 60, Poland 48 22 328 90 10, Portugal 351 210 311 210, Russia 7 495 783 6851, Singapore 1800 226 5886, Slovenia 386 3 425 42 00, South Africa 27 0 11 805 8197, Spain 34 91 640 0085, Sweden 46 (0) 8 587 895 00, Switzerland 41 56 2005151, Taiwan 886 02 2377 2222, Thailand 662 278 6777, Turkey 90 212 279 3031, United Kingdom 44 (0) 1635 523545

 

За подробной информацией о поддержке обратитесь к приложению Дополнительная информация и ресурсы. Чтобы оставить свои комментарии о документации National Instruments, зайдите на сайт ni.com/info и введите код обратной связи feedback.

 

 


Содержание

 

Для студентов. 6

А. Сертификация NI. 6

В. Описание курса. 7

С. С чего нужно начинать. 8

D. Цель курса. 10

E. Условные обозначения. 11

1. Общие сведения о DAQ системах. 12

Темы.. 12

A. Общие сведения о DAQ системах. 13

B. Датчики. 13

C. Сигналы.. 14

D. Оборудование DAQ.. 21

E. Согласование сигналов. 21

F. Программное обеспечение DAQ.. 22

Выводы.. 23

Самопроверка: короткий тест. 24

Самопроверка: ответы.. 25

Заметки. 26

2. Оборудование и программное обеспечение сбора данных. 27

Темы.. 27

A. Оборудование сбора данных. 28

B. Компоненты DAQ-устройства. 32

C. Выбор подходящего DAQ устройства. 37

D. Программное обеспечение DAQ.. 44

E. Обзор NI-DAQmx VI. 50

Выводы.. 54

Самопроверка: короткий тест. 55

Самопроверка: ответы.. 56

Заметки. 57

3. Аналоговый ввод. 58

Темы.. 58

A. Заземлен ие. 59

B. Дискретизация. 70

C. Сбор данных по одному отсчету с программной синхронизацией. 76

D. Архитектура DAQ-устройств. 78

E. Буферизированный сбор массива данных конечного размера. 82

F. Непрерывный буферизированный сбор данных. 86

G. Запуск. 91

Выводы.. 96

Самопроверка: Короткий тест. 97

Самопроверка: Ответы.. 98

Заметки. 99

4. Аналоговый вывод. 100

Темы.. 100

A. Архитектура аналогового вывода. 101

B. Вывод одного отсчета. 102

С. Буферизированная генерация сигнала конечной длительности. 104

D. Непрерывная буферизированная генерация. 109

E. Генерация с запуском.. 112

Выводы.. 113

Самопроверка: короткий тест. 114

Самопроверка: ответы.. 115

Заметки. 116

5. Цифровой ввод-вывод. 117

Темы.. 117

A. Общие сведения о цифровом вводе и выводе. 118

B. Цифровой ввод-вывод. 120

C. Аппаратно синхронизируемый цифровой ввод-вывод. 123

Выводы.. 125

Самопроверка: короткий тест. 126

Самопроверка: ответы.. 127

Заметки. 128

6. Счетчики. 129

Темы.. 129

A. Сигналы, с которыми работает счетчик. 130

B. Счет фронтов. 135

C. Генерация импульсов. 138

D. Измерение параметров импульсов. 143

E. Измерение частоты.. 146

F. Измерение перемещений. 151

Выводы.. 154

Самопроверка: короткий тест. 155

Самопроверка: ответы.. 156

Заметки. 157

7. Согласование сигналов. 158

Темы.. 158

A. Общие сведения о согласовании сигналов. 159

B. Системы согласования сигналов. 159

C. Согласование сигналов при измерении напряжения. 160

D. Измерения температуры.. 171

E. Измерение деформации, давления, нагрузки и крутящего момента. 178

F. Измерение характеристик звука и вибрации. 191

Выводы.. 197

Самопроверка: короткий тест. 198

Самопроверка: ответы.. 199

Заметки. 200

8. Синхронизация. 201

Темы.. 201

A. Синхронизация измерений. 202

В. Синхронизация внутри устройства. 206

C. Синхронизация нескольких устройств. 209

D. Счетчики и синхронизация. 213

Выводы.. 218

Самопроверка: короткий тест. 219

Самопроверка: ответы.. 221

Заметки. 223

Приложение А. Теория DAQ.. 224

Темы.. 224

A. Теория датчиков. 225

B. Схема аналогового ввода-вывода. 231

Заметки. 238

Приложение В. Обработка сигналов. 239

Темы.. 239

A. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и быстрое преобразование Фурье (БПФ) 240

B. Информация об амплитуде и фазе. 242

C. Разрешение по частоте и симметрия ДПФ/БПФ.. 243

D. Спектр мощности. 248

E. Растекание спектра и сглаживающие окна. 252

F. Характеристики различных типов оконных функций. 256

G. Выбор типа окна, который необходимо использовать. 261

H. Фильтрация. 265

I. Идеальные фильтры.. 265

J. Реальные (неидеальные) фильтры.. 267

K. Преимущества цифровых фильтров по сравнению с аналоговыми фильтрами. 269

L. БИХ и КИХ фильтры.. 270

M. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой. 272

N. Сравнение БИХ фильтров. 277

O. Переходная характеристика БИХ фильтров. 279

P. Фильтры с конечной импульсной характеристикой. 280

Выводы.. 283

Заметки. 284

Приложение С. Дополнительная информация и ресурсы.. 285

Техническая поддержка National Instruments. 285

Другие учебные курсы National Instruments. 286

Сертификация National Instruments. 286

Ресурсы LabVIEW... 286

Заметки. 288

 


Для студентов

Благодарим вас за приобретение обучающего комплекта по курсу Data Acquisition and Signal Conditioning. Настоящее руководство и прилагаемое программное обеспечение используются в двухдневном практическом курсе Data Acquisition and Signal Conditioning.

Примечание: Для получения обновлений и исправлений учебных материалов зайдите на сайт ni.com/info и введите код информации daqnsc.

А. Сертификация NI

Курс Data Acquisition and Signal Conditioning является одним из серии курсов, предлагаемых National Instruments. На следующем рисунке показаны курсы этой серии, целью которых является обучение работе в LabVIEW. Если вы хотите приобрести опыт работы в LabVIEW и подготовиться к сдаче аттестационного экзамена на звание NI Certified LabVIEW Developer и NI Certified LabVIEW Architect, обратитесь на сайт ni.com/training.


В. Описание курса

В данном курсе рассматриваются основы сбора данных (DAQ) и согласования сигналов, а также методы, которыми вы можете пользоваться при создании приложений.

Этот курс развивает также навыки программирования в LabVIEW, полученные при обучении на курсах LabVIEW Core 1 и LabVIEW Core 2 и рассматриваются некоторые рекомендации по программированию приложений сбора данных и согласования сигналов. В данном руководстве предполагается, что вы знакомы с операционной системой Windows, имеет опыт разработки алгоритмов в виде блок-схем или блок-диаграмм и прошли курс LabVIEW Core 1 либо знакомы со всеми рассматриваемыми в нем принципами. Учебное пособие и руководство к выполнению упражнений разбиты на лекции (занятия), как описано ниже.

В учебном пособии каждая лекция состоит из:

· Введения, в котором приводятся цель лекции и что подлежит изучению

· Содержания тем (разделов) лекции

· Выводов, которые подчеркивают важные принципы и навыки, изученные и приобретенные на лекции

· Заключительного контрольного опроса, который позволяет проверить и закрепить важные принципы и навыки, изученные и приобретенные на лекции

В руководстве к выполнению упражнений для каждого занятия включены:

· Набор упражнений для закрепления тем лекции

· Усложненные разделы упражнений или дополнительные упражнения (необязательные) для самостоятельного выполнения

В отдельных упражнениях используется встраиваемый многофункциональный модуль ввода-вывода (DAQ) с коннекторным блоком NI BNC-2120. В некоторых упражнениях используются также шасси cDAQ, универсальный модуль аналогового ввода NI 9219 и датчики, описанные в лекции 7, Согласование сигналов.

 


С. С чего нужно начинать

Прежде, чем начать работу с настоящим руководством, убедитесь в наличии следующих компонентов:

· Windows XP или выше, инсталлированной на вашем компьютере

· Полной (Full) или профессиональной (Professional) системы проектирования LabVIEW 2009 или выше

· Драйверов NI-DAQmx 9.0.2 или выше

· Многофункционального DAQ устройства

· NI BNC-2120 с проводниками и кабелями

· Шасси cDAQ, универсального модуля аналогового ввода NI 9219 и датчиков, описанных в лекции 7, Согласование сигналов.

· Кабеля USB

· Компакт-диска с курсом Data Acquisition and Signal Conditioning, содержащего следующие папки:

 

Имя папки Описание
Exercises Содержит все VI и вспомогательные файлы, необходимые для выполнения упражнений курса
Solutions Содержит готовые VI для всех заданий курса

 

Примечание: В данном курсе предполагается, что вы использовали установку LabVIEW по умолчанию. Если вы изменили вид палитр, некоторые пути, описанные в курсе, могут не совпадать с вашими. Для восстановления вида палитр по умолчанию выберите из верхнего выпадающего меню Tools»Options в разделе Category Controls/Functions Palettes. Установите Palette на Category (Standard), установите Navigation Buttons на Label Selected Icons, установите Loading на Load palette in background и установите флажок Use window titles in Functions. Щелкните по кнопке OK для сохранения изменений и закрытия диалогового окна.

Инсталляция программного обеспечения для курса

Для инсталляции программного обеспечения к курсу вставьте CD-диск с курсом в привод и установите файлы в следующие папки:

· Все VI для упражнений и вспомогательные файлы - в папку <Exercises>\DAQ and Signal Conditioning.

· Все решения упражнений – в папку <Exercises>\DAQ and Signal Conditioning

Подсказка: Папки, имена которых заключены в угловые скобки, например, <Exercises>, должны находиться в корневом каталоге.

D. Цель курса

В этом курсе вы изучите компоненты системы сбора данных и научитесь использовать эти системы. По завершению курса вы будете знать следующие компоненты DAQ-системы:

· Датчики

· Сигналы

· Устройства согласования сигналов

· Технические средства DAQ устройств

· Программное обеспечение DAQ систем

Вы также узнаете, как использовать LabVIEW с DAQ-устройством для:

· Измерения аналоговых сигналов

· Генерации аналоговых сигналов

· Цифрового ввода и вывода

· Использования счетчиков для подсчета событий, генерации импульсов, измерения параметров импульсов и измерения частоты

· Преобразования (согласования) сигналов

· Синхронизации нескольких задач и нескольких устройств

В этом курсе не изучаются:

· Основы работы в LabVIEW, рассмотренные в курсе LabVIEW Core 1

· Все встроенные VI, функции или объекты; обратитесь к справочной системе LabVIEW Help для получения дополнительной информации о свойствах LabVIEW, не представленных в настоящем курсе

· Проектирование законченных приложений всеми студентами аудитории; обратитесь к поисковику примеров NI Example Finder, выбрав в меню Help>>Find Examples, чтобы найти примеры VI, которые можно использовать и включать в создаваемые вами VI

Обратитесь к справочной системе LabVIEW Help для получения дополнительной информацией о конкретном DAQmx VI.

Если вам нужна помощь при создании вашего приложения, пожалуйста, обсудите это с преподавателем после занятия или свяжитесь со службой технической поддержки National Instruments. Для получения дополнительной информации о технической поддержке обратитесь к Web-сайту National Instruments по адресу ni.com.


E. Условные обозначения

В настоящем учебном пособии используются следующие условные обозначения:

» Символ » служит для указания пути выбора цели во вложенных меню и диалоговых окнах. Например, последовательность File»Page Setup» Options означает, что следует открыть меню File, выбрать там пункт Page Setup и затем выбрать команду Options в появившемся диалоговом окне.
Пиктограмма подсказки, содержащей важную информацию.
Пиктограмма примечания с важной информацией.
Пиктограмма предупреждения, содержащая рекомендации, как избежать травм, потерь данных или выхода из строя системы.
Bold Полужирным шрифтом выделены пункты меню или диалоговых окон, которые нужно выбрать, а также обозначения параметров, элементов управления и кнопок на лицевой панели, диалоговых окон, страниц и их компонентов, имена окон и палитр.
italic Курсивом выделены имена переменных, важные фрагменты текста, перекрестные ссылки, а также пояснения к ключевым понятиям. Курсивом также выделено место в тексте, которое нужно заменить словом или значением.
monospace Шрифтом одинаковой ширины записывается текст или отдельные символы, которые следует вводить с клавиатуры, фрагменты текстов программ, примеры программ, а также примеры синтаксиса. Этот шрифт используется также для идентификаторов дисковых накопителей, путей, папок, программ, подпрограмм, имен устройств, функций, операций, переменных, имен и расширений файлов.
monospace italic Курсивом одинаковой ширины обозначается текст, который вы должны заменить словом или значением.

 

 


1. Общие сведения о DAQ системах

В настоящей лекции рассматриваются основы сбора данных (DAQ).

Темы

A. Общие сведения о DAQ системах

B. Датчики

C. Сигналы

D. Технические средства DAQ устройств

E. Преобразование (согласование) сигналов

F. Программное обеспечение DAQ систем


A. Общие сведения о DAQ системах

Сбор данных – это автоматическое получение информации от датчиков, приборов и устройств на производстве, в лаборатории или в полевых условиях. Назначение системы сбора данных - измерение физической величины, например, света, температуры, давления или звука. Система сбора данных включает следующие блоки:

· Датчик/сигнал

· Технические средства DAQ устройств

· Устройства согласования сигналов

· Программное обеспечение сбора данных

Рисунок 1-1.Обобщенная структура DAQ системы

Sensor or signal – датчик или сигнал, I/O – ввод-вывод, Signal Conditioning – согласование сигналов, DAQ Hardware – аппаратные средства (оборудование) сбора данных, Bus - шина, DAQ Software – программное обеспечение сбора данных.

При помощи этих блоков вы можете ввести значение измеряемой физической величины в компьютер для обработки и представления.

B. Датчики

Измерение сигнала – процесс преобразования физической величины в данные, которые может обрабатывать компьютер. Измерение начинается с датчика, также называемого измерительным преобразователем, который преобразует физическую величину в электрический сигнал, измеряемый системой сбора данных. Датчики могут генерировать электрические сигналы для измерения таких параметров, как, например, температура, сила, положение, параметры звука или света. В таблице 1-1 перечислены некоторые наиболее распространенные типы датчиков.

 


Таблица 1-1. Распространенные типы измерений и датчиков

Физическая величина Датчики
Температура Термопары Термосопротивления Термисторы Датчики с интегральными схемами
Свет Электровакуумные фотодатчики Фоторезисторы
Звук Микрофоны
Сила и давление Тензодатчики Пьезоэлектрические преобразователи Датчики нагрузки
Положение (перемещение) Потенциометры Линейные дифференциальные трансформаторы Оптические энкодеры
Поток жидкости Манометры-расходомеры Крыльчатые расходомеры Ультразвуковые раходомеры
pH pH-электроды

Типы датчиков

Датчики используются для различных целей, например, для измерения температуры, давления или расхода жидкости. Обратитесь на сайт ni.com/sensors для получения дополнительной информации о датчиках и местах, где их можно приобрести.

Разные датчик имеют различные требования по преобразованию физической величины в измеряемый сигнал. Например, терморезистору (RTD) требуется ток возбуждения для измерения температуры. Термопаре не требуется ток возбуждения, но зато требуется компенсация холодного спая. В тензодатчиках для измерения деформации используется конфигурация резисторов под названием мост Уитстона. Прежде чем разрабатывать систему, вы должны ознакомиться со специальными требованиями к датчикам. Обратитесь к поставщику датчиков для получения информации о правильном его использовании.

C. Сигналы

Датчик преобразует физическую величину в сигнал, который можно измерить. Однако бывает, что вам нужно получить сигналы напряжения, которые датчиком не формируются.

Не все сигналы измеряются одинаковым способом. Сначала вы должны определить, является ли сигнал цифровым или аналоговым.

После этого определите, какую информацию вы хотите получить из сигнала. Возможные виды информации – состояние, уровень, форма и частота, как показано на рисунке 1-2.

Рисунок 1-2.Информация о сигнале.

Your Signal - ваш сигнал, Analog - аналоговый, Level - уровень, Shape - форма, Frequency - частота, Digital - цифровой, Rate - частота.

Примечание: В данном руководстве предполагается, что вы измеряете сигналы. Однако многие положения применимы также и к генерации сигналов. Различие между измерением и генерацией сигналов в том, что вам не нужен анализ при генерации сигнала с определенной частотой.

Аналоговые сигналы

В отличие от цифровых сигналов, уровень напряжения аналогового сигнала в каждый момент времени может быть любым. Поскольку аналоговый сигнал в любой момент может находиться в любом состоянии, физические свойства аналогового сигнала, поддающиеся измерению, отличаются от свойств цифрового сигнала.

Информация в аналоговом сигнале

Вы можете измерить уровень, форму и частоту аналогового сигнала, как показано на рисунке 1-3.

Рисунок 1-3.Информация в аналоговом сигнале

Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота.

· Уровень– Измерение уровня аналогового сигнала аналогично оценке состояния цифрового сигнала. Различие в том, что уровень напряжения аналогового сигнала может быть любым, а цифровой сигнал имеет либо низкий, либо высокий уровень.

· Форма– Измерение формы сигнала часто важно, поскольку аналоговые сигналы могут находиться в любом состоянии в любой момент времени. Например, форма синусоиды отлична от формы пилообразного сигнала. Измерение формы сигнала позволяет затем выполнять анализ других аспектов сигнала, например, определять пиковые значения, скорость изменения или интегральные значения.

· Частота– измерение частоты аналогового сигнала аналогично измерению частоты цифрового сигнала. Однако вы не можете непосредственно измерить частоту аналогового сигнала. Вы должны выполнить программный анализ сигнала для извлечения информации о частоте. Обычно это выполняется при помощи преобразования Фурье.

 

Уровни большинства сигналов не сильно изменяются со временем. Однако обычно вам требуется измерить сигнал с высоким уровнем точности. Таким образом, вам нужно устройство сбора данных с высоким разрешением, но не с высокой частотой дискретизации.

Используя различные датчики, вы можете измерить напряжение источника питания, температуру в смесительном баке, давление в трубопроводе или нагрузку на деталь механизма, как показано на рисунке 1-4.

Рисунок 1-4.Примеры уровня

Level - уровень, Voltage - напряжение, Temperature - температура, Pressure - давление,

Load – нагрузка.

При измерении формы сигнала вы должны знать, как изменяется этот сигнал со временем. Некоторые сигналы изменяются с большой скоростью. В большинстве приложений, где требуется измерение формы сигнала, требуется также и высокая точность. Таким образом, вам нужно устройство сбора данных с высоким разрешением и высокой частотой дискретизации.

Примеры измерения формы сигнала часто встречаются в медицине, электронике и автомобильной промышленности, и варьируются от измерения пульсаций сердца и измерения видеосигнала, до измерения вибраций рессор. После измерения сигнала вы можете его проанализировать для извлечения необходимой вам информации о форме.

Например, при измерении кровяного давления вас интересует пиковое значение. Однако при оценке отклика RC-цепочки вас больше волнует изменение амплитуды со временем, как показано на рисунке 1-5.

Рисунок 1-5.Примеры измеренияформы

Shape – форма, Arterial Blood Pressure – артериальное кровяное давление, RC Surcuit Response - реакция RC-цепочки

При измерении зависимости сигнала от времени вы используете программную обработку для преобразования сигнала из временной области в частотную. LabVIEW предоставляет необходимые для программного анализа средства, как показано на рисунке 1-6.

Рисунок 1-6.Примеры измерениячастоты

Frequency – частота, Seismograph – сейсмограф, Sound – звук, Time Plot – временной график, Frequency Plot – частотный график.

Цифровые сигналы

У цифрового сигнала есть только два возможных состояния – ON (логический сигнал высокого уровня) или OFF (логический сигнал низкого уровня). Распространенный тип цифрового сигнала – сигнал ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Спецификации сигнала ТТЛ определяют уровень напряжения между 0 и 0.8 В, как низкий логический уровень, а уровень напряжения от 0 В до 5 В - как высокий логический уровень. Большинство цифровых устройств воспринимают ТТЛ-совместимый сигнал.

Информация в цифровом сигнале

Вы можете измерить только две характеристики цифрового сигнала: состояние и частоту.

· Состояние– у цифрового сигнала только два возможных состояния: ON (вкл.) или OFF (выкл.). Вы можете определить, во включенном или выключенном состоянии находится цифровой сигнал.

· Частота– цифровой сигнал изменяет свое состояние во времени. Вы можете измерить частоту сигнала, то есть, как его состояние изменяется во времени.

Пример измерения состояний цифрового сигнала приведен на рисунке 1-7.

 

Рисунок 1-7.Пример измерения состояния

Предположим, вы хотите наблюдать за состоянием выключателя. Выключатель включает или выключает лампочку. В примере на рисунке 1-7, когда выключатель разомкнут, вы измерите 0 В (ВЫКЛ). Когда выключатель замкнут, вы измеряете 5 В (ВКЛ). Измеряя состояние цифрового сигнала, вы можете определить, горит или не горит лампочка.

На рисунке 1-8 приведен пример измерения частоты цифрового сигнала.

Рисунок 1-8.Пример измерения частоты

Motor – двигатель, Quadrature Encoder – квадратурный энкодер, 24 pulses/rev – 24 импульса за оборот, Rate – частота.

Предположим, вы хотите измерить, насколько быстро вращается вал двигателя. Энкодер – это датчик, который может преобразовывать вращательное движение вала двигателя в цифровой сигнал. Когда энкодер вращается, он формирует два цифровых сигнала, каждый из которых - серия меняющихся состояний ВКЛ и ВЫКЛ, называемая последовательностью импульсов. На каждое приращение угла поворота вы получаете импульс. Это значение приращения зависит от энкодера. Например, энкодер терминального блока BNC-2120, используемого в этом курсе, выдает 96 импульсов за оборот. Вы можете измерить частоту одной последовательности импульсов для определения, насколько быстро вращается вал, либо измерить обе последовательности для определения не только частоты, но и направления вращения вала.


D. Оборудование DAQ

Назначение технических средствсбора данных – передача информации между датчиками или сигналами и ПО. Оборудование DAQ может измерять и генерировать аналоговые и цифровые сигналы. Сигналы между аппаратными средствами и программным обеспечением сбора данных передаются по шинам. Среди доступных шин PCI, PCI Express, PXI, PXI Express и USB.

E. Согласование сигналов

Не всегда можно непосредственно подключить сигнал к устройству сбора данных. Вам может понадобиться преобразовать сигнал, чтобы сделать его пригодным для измерения устройством сбора данных. Согласование сигналов – процесс преобразования сигналов для улучшения точности, изоляции, фильтрации и так далее. Преобразование сигналов требуется не всегда.

Цель преобразования сигналов – взять сигнал, который сложно измерить вашим DAQ-устройством, и изменить его так, чтобы упростить процесс измерения. Большинству датчиков для этого требуется внешние аппаратные средства. Например, терморезисторам требуется ток возбуждения, а тензодатчику – особая конфигурация резисторов, называемая мостом Уитстона. Для измерения сигналов с датчиков вы должны также преобразовать их в форму, которую может воспринимать DAQ-устройство. Например, выходное напряжение большинства термопар очень маленькое и восприимчиво к помехам. Поэтому необходимо усилить выходной сигнал термопары, прежде чем оцифровывать его. Усиление – один из видов согласования сигналов.

Иногда преобразование сигналов может происходить в самом датчике. Например, некоторые микрофоны и акселерометры содержат встроенный усилитель для формирования сигнала более высокого уровня. Согласование сигналов может также происходить на пути между датчиком или сигналом и оборудованием DAQ. Например, вы можете использовать внешние усилители и фильтры для уменьшения помех.

Согласование сигналов может также выполняться в оборудовании DAQ. Многие аппаратные устройства сбора данных компании National Instruments содержат встроенные средства согласования сигналов, например, усилители, мосты Уитстона для тензодатчиков, схемы компенсации холодного спая термопар, фильтры нижних частот и т.д.

Обратитесь на сайт ni.com/signalconditioning для получения дополнительной информации об оборудовании согласования сигналов National Instruments.

На рисунках 1-9 показаны распространенные типы датчиков и сигналов и преобразование, которое требуется каждому из них.

Рисунок 1-9.Распространенные типы датчиков и сигналов и их преобразования.

Sensors/Signals – датчики/сигналы, Signal Conditioning – согласование сигналов, Thermocouples – термопары, Amplification, Linearization, anв Cold-Junction Compensation – усиление, линеаризация, компенсация холодного спая, RTDs – терморезисторы, Current Excitation, Four-Wire and Three-Wire Configuration – ток возбуждения, трехпроводная и четырехпроводная схема подключения, Strain Gauges – тензодатчики, Voltage Excitation, Bridge Configuration, and Linearization – напряжение возбуждения, конфигурация моста и линеаризация, Common Mode or High Voltages – синфазное или высокое напряжение, Isolation Amplifiers (Optical Isolation) – развязывающие усилители (оптическая изоляция), Loads Requiring AC Switching or Large Current Flow – нагрузки, требующие переключения переменного тока или большого тока, Electromechanical Relays or Solid-State Relays – электромеханические или твердотельные реле, Signals with High Frequency Noise – сигналы с высокочастотными помехами, Lowpass Filters - фильтры нижних частот, DAQ device – DAQ-устройство

F. Программное обеспечение DAQ

 

После сбора данных при помощи оборудования DAQ часто вам требуется проделать с данными еще что-нибудь. Вы можете использовать программное обеспечение DAQ для генерации отчетов, обработки или манипуляций данными, анализа сигналов, записи данных в файл или базу данных и многого другого.


Выводы

DAQ-система состоит из следующих компонентов:

· Датчиков, преобразующих физическую величину в измеряемый сигнал

· Сигналов - цифровых или аналоговых. В зависимости от сигнала вы можете измерять его состояние, уровень, форму или частоту.

· Устройств согласования сигналов, упрощающих измерение сигналов DAQ-устройством

· Аппаратных средств DAQ

· Программного обеспечения DAQ

 


Самопроверка: короткий тест

1. Сопоставьте термины и определения:

Датчик а. Упрощает измерение сигнала, который сложно измерить вашим DAQ-устройством
Устройство согласования сигналов b. Передает сигнал в и из программы по шине
Оборудование DAQ c. Работает с данными после того, как они собраны
Программное обеспечение DAQ d. Преобразует физическую величину в электрический сигнал, который можно измерить

 

2. Перечислите 3 типа измерений, которые можно выполнять с аналоговыми сигналами

3. Перечислите 2 типа измерений, которые можно выполнять с цифровыми сигналами


Самопроверка: ответы

1. Сопоставьте термины и определения:

Датчик d. Преобразует физическую величину в электрический сигнал, который можно измерить
Устройство согласования сигналов а. Упрощает измерение сигнала, который сложно измерить вашим DAQ-устройством
Оборудование DAQ b. Передает сигнал в и из программы по шине
Программное обеспечение DAQ c. Работает с данными после того, как они собраны

 

2. Перечислите 3 типа измерений, которые можно выполнять с аналоговыми сигналами

· Уровень

· Форма

· Частота

3. Перечислите 2 типа измерений, которые можно выполнять с цифровыми сигналами

· Состояние

· Частота


Заметки

 


2. Оборудование и программное обеспечение сбора данных

В этой лекции рассматриваются аппаратные средства и программное обеспечение сбора данных

Темы

A. Оборудование сбора данных

B. Компоненты DAQ-устройства

C. Выбор подходящего оборудования сбора данных

D. Программное обеспечение сбора данных

E. Обзор NI-DAQmx VI


A. Оборудование сбора данных

Типичная система сбора данных состоит из трех типов оборудования – терминального блока, кабеля и устройства сбора данных (рис. 2-1). В этом разделе описываются каждый тип оборудования, затем рассматриваются компоненты DAQ-устройства и функции, которые ими выполняются. Вы также ознакомитесь с важными вопросами конфигурирования DAQ-устройства.

Рисунок 2-1.Типичная система сбора данных

1 – сигнал, 2 – терминальный блок, 3 – кабель, 4 – DAQ-устройство, 5 – компьютер.

После преобразования физической величины в измеряемый сигнал для измерения сигнала вам нужен терминальный блок, кабель, устройство DAQ и компьютер. Эта комбинация может превратить обычный компьютер в систему измерения и управления.

Терминальный блок и кабель

Терминальный блок служит для подключения сигналов. Он состоит из терминалов с винтовыми клеммами, подпружиненных терминалов или разъемов BNC для подключения источников сигналов, а также разъема для кабеля, соединяющего терминальный блок с DAQ-устройством.

Выбирая терминальный блок, вы должны учитывать два фактора – устройство и количество измеряемых сигналов. На рисунке 2-2 показан пример схемы расположения винтовых клемм.

Рисунок 2-2.Терминальный блок, кабель и схема расположения выводов

1 – сигнал, 2 – терминальный блок, 3 – кабель, 4 – 68-контактный разъем.

Терминальные блоки могут быть экранированными или неэкранированными. Экранированные терминальные блоки обеспечивают лучшую защиту от помех. Некоторые терминальные блоки имеют дополнительные возможности, например, встроенную схему компенсации холодного спая, необходимую для правильного измерения температуры с помощью термопары.

Кабель передает сигнал из терминального блока в DAQ-устройство. Кабели бывают с разъемами на 100, 68 и 50 контактов. Выбор конфигурации кабеля зависит от используемых терминального блока и DAQ-устройства. Как и терминальные блоки, кабели бывают экранированными и неэкранированными.

Обратитесь к разделу DAQ на сайте ni.com/products для получения дополнительной информации о типах терминальных блоков и кабелей.

Терминальный блок BNC-2120 с аксессуарами

На рисунке 2-3 показан терминальный блок BNC-2120, используемый в этом курсе.

Рисунок 2-3. Терминальный блок BNC-2120

1 – переключатель RES/BNC (AI 3), 2 – винтовые клеммы для измерения сопротивления, 3 – разъем для подключения термопары, 4 – датчик температуры, 5 – переключатель BNC/Temp. Ref. (AI 0), 6 – переключатель BNC/термопара (AI 1), 7 – BNC-разъемы аналогового ввода, 8 – переключатели FS/GS, 9 – BNC-разъемы аналогового вывода, 10 – переключатель выбора частотного диапазона, 11 – BNC-разъем синусоидального/треугольного сигнала, 12 – BNC-разъем ТТЛ сигнала прямоугольной формы, 13 – переключатель синусоидального/треугольного сигнала, 14 – регулятор частоты, 15 – регулятор амплитуды, 16 – винтовые клеммы цифрового ввода-вывода, 17 – светодиоды цифрового ввода-вывода, 18 - пользовательские винтовые клеммы, 19 – пользовательские BNC-разъемы, 20 – винтовые клеммы таймерного ввода-вывода, 21 – винтовые клеммы квадратурного энкодера, 22 – регулятор квадратурного энкодера, 23 – BNC-разъем таймерного ввода-вывода, 24 – светодиод питания

NI BNC-2120 – экранированный коннекторный блок с разъемами BNC. Вы можете использовать этот коннекторный блок с многофункциональными NI DAQ-устройствами серий X, M, E и S, а также устройствами аналогового вывода. BNC-2120 упрощает подключение аналоговых сигналов, некоторых цифровых сигналов и двух пользовательских сигналов к устройству сбора данных, экранированный корпус обеспечивает достоверность измерений.

BNC-2120 содержит генератор функций с переключателем для выбора диапазона частот сигнала, регуляторов частоты и амплитуды. Генератор функций может формировать синусоидальный или треугольный сигнал, а также ТТЛ-совместимый прямоугольный сигнал.

BNC-2120 содержит схему механического квадратурного энкодера, выдающего 96 импульсов на один оборот энкодера. Два выхода, PULSES и UP/DN, находятся на винтовых клеммах под регулятором квадратурного энкодера. На выход PULSES поступает последовательность импульсов, генерируемая при вращении оси энкодера. Один механический щелчок кодера вызывает формирование четырех импульсов. На выход UP/DN поступает низкий или высокий уровень сигнала, определяющий направление вращения. Вращению против часовой стрелки соответствует низкий уровень сигнала UP/DN, по часовой стрелке – высокий.

DAQ-устройства

Типовые многофункциональные устройства сбора данных NI содержат четыре стандартных блока: аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода-вывода и счетчики.

National Instruments изготавливает также высокоскоростные цифровые устройства, для синхронизированного цифрового ввода-вывода, высокоскоростные устройства аналогового вывода для продвинутой генерации сигналов и устройства динамического сбора данных (DSA) для анализа быстро изменяющихся сигналов, например, сигналов вибраций или акустических. Обратитесь на сайт ni.com/modularinstruments для получения дополнительной информации.

Вы можете передать в компьютер сигнал, измеренный устройством сбора данных, по различным шинам. Например, вы можете использовать DAQ-устройство, подключаемое к шине PCI компьютера, DAQ-устройство, подключаемое к разъему PCMCIA ноутбука или DAQ-устройство, подключаемое к порту USB компьютера.

Если у вас нет устройства сбора данных, вы можете симулировать его в Measurement and Automation Explorer для полноценного тестирования вашей программы. Вы узнаете, как это сделать, в разделе Программное обеспечение сбора данных этой лекции.

Вы можете также использовать стандарт PXI/CompactPCI для создания портативной и надежной измерительной системы широкого назначения. Обратитесь по адресу ni.com/products для получения дополнительной информации о специальных типах устройств сбора данных.

B. Компоненты DAQ-устройства

На рисунке 2-4 показаны компоненты многофункциональных устройств ввода-вывода PCI, PCI Express, PXI или PXI Express.

Рисунок 2-4.Компоненты многофункционального DAQ-устройства

1 – интерфейс с системой ввода-вывода компьютера, 2 – разъем ввода-вывода, 3 – шина интеграции системы реального времени (RTSI)

Интерфейсы

Типичное DAQ-устройство, использующее шины PCI, PCI Express, PXI или PXI Express, имеет три интерфейса для приема и отправки сигналов: разъем ввода-вывода, схему сопряжения с вводом-выводом компьютера и шину интеграции системы реального времени (RTSI).

· Разъем ввода-вывода –место, через которое сигнал вводится в DAQ-устройство или выводится из него. Разъемы ввода-вывода бывают на 100, 68 или 50 контактов в зависимости от устройства. Один конец кабеля подключается к разъему ввода-вывода, а другой – к терминальному блоку. Вы можете найти схему расположения контактов в документации на DAQ-устройство.

· Интерфейс с системой ввода-вывода компьютерапередает информацию между DAQ-устройством и компьютером. Схема интерфейса может отличаться в зависимости от протокола используемой шины. Например, шина PCI имеет соединительные контакты, вставляемые в слот PCI, а для подключения к USB необходим кабель.

· Шина RTSI использует и синхронизирует общие сигналы между несколькими DAQ-устройствами в одном компьютере. Например, если вы хотите, чтобы два устройства выполняли аналоговый ввод с одинаковой скоростью, вы сделать сигнал синхронизации по шине RTSI общим, чтобы его использовали оба устройства. Используйте для подключения устройств кабель RTSI, если только не работаете с платформой PXI. Объединительная панель шасси PXI, в которую вставляются устройства, выполняет функции встроенного кабеля RTSI для общих сигналов между модулями в шасси.

Блок аналогового ввода

Аналоговый входной сигнал с разъема ввода-вывода проходит через схему аналогового ввода, прежде чем поступит на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Схема аналогового ввода, показанная на рисунке 2-5, состоит из мультиплексора и инструментального усилителя.

Рисунок 2-5.Схема аналогового ввода

1 – схема аналогового ввода, 2 – мультиплексор, 3 – инструментальный усилитель.

· Мультиплексор –в каждый момент времени подключает один из нескольких входных каналов к инструментальному усилителю. При сборе данных с нескольких каналов мультиплексор по очереди подключает каждый из них к усилителю. Порядком подключения входных сигналов к усилителю управляет LabVIEW.

· Инструментальный усилитель –может усилить или ослабить принимаемый сигнал. Назначение усилителя – сделать так, чтобы сигнал как можно лучше соответствовал диапазону АЦП. Усилитель усиливает или ослабляет сигнал в соответствии с определенным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления – это количество прикладываемого усиления. Например, при коэффициент усиления 2 сигнал увеличивается в два раза. При коэффициенте усиления 0.5 сигнал уменьшается в два раза, то есть ослабляется.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

АЦП – электронное устройство, преобразующее аналоговое напряжение в цифровой код, который для интерпретации вы можете послать в компьютер через с системой ввода-вывода компьютера. Схема аналогового ввода в сочетании с АЦП выполняет измерение уровня, формы или частоты входного аналогового сигнала. Вы можете использовать функции аналогового ввода DAQ-устройства в различных приложениях, начиная с тестирования источника питания и измерения параметров сердечного пульса до распознавани

я речи. АЦП показан на рисунке 2-6.

Рисунок 2-6.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

1 – АЦП, Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота

Блок аналогового вывода

Блок аналогового вывода использует цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП реализует процесс, обратный тому, что выполняет АЦП. ЦАП получает цифровой код, отправленный из компьютера через интерфейс ввода-вывода компьютера, и преобразует его в аналоговый сигнал, который поступает на выход через разъем ввода-вывода. ЦАП полезен для генерации сигналов постоянного напряжения (уровня), сигналов заданной частоты и формы. Вы можете использовать аналоговый вывод DAQ-устройства в различных приложениях, от управления системой при помощи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора) до управления серводвигателями и генерации последовательности заданных частот для сирены или сигнала тревоги. ЦАП показан на рисунке 2-7.

Рисунок 2-7.Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

1 – ЦАП, Level - уровень, Shape - форма, Frequency – частота.

Блок цифрового ввода-вывода

Блок цифрового ввода-вывода может выполнять как функции ввода, так и функции вывода. Типичное DAQ-устройство имеет несколько цифровых линий, которые могут принимать или генерировать цифровые сигналы с использованием программной или аппаратной синхронизации. Если DAQ –устройство не имеет выделенного цифрового сигнала синхронизации, то для выполнения аппаратного тактирования должен использоваться коррелированный цифровой ввод-вывод. Несколько цифровых линий на одном DAQ-устройстве могут быть синхронизированы и тактироваться встроенным или внешним генератором синхроимпульсов.

Вы можете использовать цифровой ввод-вывод DAQ-устройства в различных приложениях, от контроля изменений состояния переключателя до управления реле.

На рисунке 2-8 показана схема цифрового ввода-вывода.

Рисунок 2-8.Схема цифрового ввода-вывода

1 – схема цифрового ввода-вывода, State – состояние

Блок счетчиков

Счетчики принимают и генерируют цифровые сигналы. Встроенные синхронизирующие сигналы, называемые источниками импульсов опорной частоты (timebase), делают их идеальными для измерения частоты цифрового сигнала.

Вы можете использовать счетчики DAQ-устройства в различных приложениях, от измерения скорости вращения вала двигателя до управления шаговым двигателем, путем генерации последовательности импульсов с конкретной частотой. На рисунке 2-9 показана схема блока счетчиков.

Рисунок 2-9.Схема блока счетчиков

1 – схема счетчика, Rate – частота.

C. Выбор подходящего DAQ устройства

При выборе оборудования DAQ необходимо определить требования к приложению, от которых зависит:

· Шина DAQ-устройства

· Измеряемые сигналы

· Точность измерений

Требования к шине

В данном разделе рассматриваются доступные варианты шин и подчеркиваются соображения, которые необходимо иметь в виду при выборе шины для создаваемого измерительного приложения.

При выборе шины для приложения сбора данных необходимо ответить на пять вопросов.

Сколько данных будут передаваться по шине?

У всех шин персональных компьютеров есть ограничения на объем данных, которые они могут передавать за определенный интервал времени. Этот объем данных называется пропускной способностью шины, и часто оценивается в мегабайтах в секунду (МБ/с). Если в вашем приложении осуществляются измерения динамического сигнала, вы должны выбрать шину с достаточной пропускной способностью.

В зависимости от выбранной шины, общая пропускная способность может быть разделена между несколькими устройствами или является выделенной для конкретных устройств. Например, теоретическая пропускная способность шины PCI составляет 132 МБ/с и разделяется между всеми устройствами PCI в компьютере. Шины, предлагающие выделенную пропускную способность, например, PCI Express и PXI Express, обеспечивают максимальную пропускную способность каждому из устройств.

При измерении параметров сигналов вам требуется определенная частота дискретизации и разрешение в зависимости от того, насколько быстро изменяется сигнал. Вы можете рассчитать минимальную пропускную способность, умножив количество байтов в отсчете (округлив в большую сторону) на частоту дискретизации и на количество каналов.

Пропускная способность шины должна соответствовать скорости сбора данных. Важно отметить, что реальная пропускная способность системы будет меньше, чем теоретический предел полосы пропускания. Реальное значение пропускной способности зависит от количества устройств в системе и количества передаваемых по шине дополнительных служебных данных. Если вам нужно передавать много данных от большого количества каналов, пропускная способность может оказаться самым важным моментом при выборе шины для сбора данных.

Каковы требования к передаче элементарной порции данных ввода-вывода?

Приложения, в которых необходимы поточечные чтение и запись, часто зависят от возможности непосредственно и согласовано обновлять данные ввода-вывода. Требования поточечного ввода-вывода могут оказаться главными при выборе шины, т.к. определяются программной и аппаратной реализацией архитектуры шины

Задержка передачи данных по шине – способность шины реагировать на ввод-вывод. Это время задержки между вызовом функции драйвера и реально обновленными данными ввода-вывода. В зависимости от выбранной шины величина задержки может составлять от микросекунды и менее до нескольких миллисекунд.

Например, в системе ПИД-регулирования, задержка шины может непосредственно влиять на максимальную скорость выполнения цикла управления.

Еще одним важным фактором в приложениях с поточечным вводом-выводом является детерминизм – мера того, насколько согласовано во времени может выполняться ввод-вывод. Шины, у которых задержка обмена данными при вводе-выводе неизменна, более детерминированы, чем шины, у которых время реагирования на ввод-вывод непостоянна. Детерминизм важен для приложений управления, поскольку непосредственно влияет на надежность цикла управления, и многие управляющие алгоритмы разрабатываются в расчете на то, что управляющий цикл всегда выполняется с постоянной скоростью. Любое отклонение от ожидаемой скорости снижает общую эффективность и надежность системы управления. Поэтому при разработке системы управления с обратной связью следует избегать шин с большой задержкой и низким детерминизмом, например, USB.

Программная часть реализации обмена данными по шине играет большую роль в определении задержки и детерминизма шины. Шины и программные драйверы с поддержкой операционных систем реального времени обеспечивают наилучший детерминизм и, соответственно, наивысшую производительность. В целом, внутренние шины, например, PCI Express и PXI Express, лучше подходят для приложений поточечного ввода-вывода с малым значением задержки, чем внешние шины, такие, как USB или беспроводные.

Нужна ли синхронизация нескольких устройств?

Во многих измерительных системах требуется сложная синхронизация. Это может быть синхронизация сотен входных каналов или нескольких типов приборов. Для системы «стимул-реакция», например, может потребоваться, чтобы выходные каналы использовали общий тактирующий сигнал и общие сигналы запуска, чтобы обеспечивать коррелированные операции ввода-вывода и более качественного анализа результатов измерений. Синхронизация устройства сбора данных с разными шинами реализуется различными способами. Почти все DAQ-устройства NI предоставляют доступ к линиям программируемого функционального интерфейса (PFI), которые могут использоваться для маршрутизации тактирующих сигналов и сигналов запуска между разными устройствами, а также программную поддержку NI-DAQmx для легкой конфигурации этих линий. Однако некоторые шины обладают дополнительными встроенными линиями синхронизации и запуска для максимального облегчения синхронизации между несколькими устройствами. Устройства PCI и PCI Express предлагают шину интеграции системы реального времени (RTSI), по которой несколько плат в настольном компьютере могут соединяться кабелем непосредственно внутри корпуса. Это устраняет необходимость дополнительного подключения через разъем на лицевой панели и упрощает подключение ввода-вывода.

Наилучшие шины для синхронизации нескольких устройств – платформа PXI , включая PXI и PXI Express. Этот открытый стандарт был специально создан для высокоскоростной синхронизации и запуска и обладает набором различных опций для синхронизации модулей ввода-вывода в одном шасси, а также для синхронизации нескольких шасси.

Насколько портативной должна быть система?

Драматический переход на портативные компьютеры неоспорим, предоставляя инженерам и научным сотрудникам новые пути к новшествам в компьютеризированном сборе данных. Портативность – важная характеристика многих приложений, которая может быть основным фактором выбора типа шины.

Например, в бортовых (на движущихся объектах) приложениях предпочтительнее оборудование компактное и легко транспортируемое. Внешние шины, такие, как USB и Ethernet особенно хороши для портативных систем сбора данных, оборудование можно быстро установить и оно совместимо с ноутбуками.

USB-устройства особенно удобны, поскольку не требуют отдельного источника питания, т.к. питаются от порта USB компьютера. Использование беспроводной передачи данных - также хороший вариант, потому что измерительное оборудование становится портативным, а компьютер может оставаться стационарным.

Насколько далеко от моего компьютера выполняются измерения?

Расстояние между измерительными средствами и местом расположения компьютера радикально различаются от приложения к приложению. Для достижения наилучшей целостности сигнала и точности измерений, вы должны поместить оборудование сбора данных как можно ближе к источнику сигнала. Это может быть проблематичным для больших распределенных измерительных систем, примерами которых могут служить системы структурных испытаний конструкций или мониторинга окружающей среды. Использование длинных кабелей на мостовых сооружениях или в производственных помещениях дорого и может привести к увеличению помех.

Одно из решений этой проблемы предоставляют портативные компьютерные платформы, которые можно переместить поближе к источникам сигналов. Беспроводная технология устраняет все физические соединения между компьютером и средствами измерений, так что вы можете выполнять распределенные измерения, отправляя данные в центральный компьютер.


Таблица 2-1. Выбор правильной шины для измерительного приложения

Шина Потоковая передача данных Передача данных по точкам Синхронизация нескольких устройств Портативность Распределенный ввод-вывод
PCI 132 Мб/c (общая) Наилучшая Лучше Хорошая Хороший
PCI Express 250 Мб/c (на канал) Наилучшая Лучше Хорошая Хороший
PXI 132 Мб/c (общая) Наилучшая Наилучшая Лучше Лучше
PXI Express 250 Мб/c (на канал) Наилучшая Наилучшая Лучше Лучше
USB 60 Мб/c Лучше Хорошая Наилучшая Лучше
Ethernet 12.5 Мб/c Хорошая Хорошая Наилучшая Наилучший
Беспроводная 6.75 Мб/c Хорошая Хорошая Наилучшая Наилучший
* Максимальные теоретические значения потоковой передачи данных, основанные на следующих спецификациях: PCI, PCI Express 1.0, PXI, PXI Express 1.0, USB 2.0, 100Mbps Ethernet и Wi-Fi 802.11g.

Что нужно знать о сигналах

Выбирайте для вашего приложения DAQ-устройство с подходящими количеством каналов, частотой дискретизации и входным диапазоном.

Шаг квантования по уровню (Code Width) – наименьшее изменения сигнала, которое может обнаружить DAQ-устройство. Выбирайте для вашего приложения DAQ-устройство с достаточно малым шагом квантования по уровню. Для расчета шага квантования по уровню вы должны знать разрешающую способность и входной диапазон устройства.

Разрешающая способность

Разрешающая способность АЦП - количество битов, используемых для представления аналогового сигнала. Разрешение DAQ-устройства аналогично делениям на линейке. Чем больше количество делений, тем точнее будут измерения. Чем выше разрешение DAQ-устройства, тем больше количество делений, на который разбивается диапазон АЦП, и, соответственно, тем меньше минимально обнаруживаемое изменение напряжения. 3-разрядный АЦП разделяет диапазон на 23 или восемь делений. Значения бинарного или цифрового кода между 000 и 111 представляют все возможные деления. АЦП переводит каждое измеряемое значение аналогового сигнала в соответствующее цифровое.

На рисунке 2-10 показан синусоидальный сигнал с частотой 5 кГц, полученный с 3-разрядного АЦП. Цифровой сигнал неадекватно воспроизводит оригинал, потому что у преобразователя слишком мало цифровых делений для представления различных значений аналогового напряжений. Однако увеличение разрешения до 16 бит для увеличения количества цифровых делений АЦП с восьми (23) до 65536 (216) позволяет 16-битному АЦП получать очень точное представление аналогового сигнала.

Рисунок 2-10. Разрешение сигнала

Усиление и входной диапазон устройства

Усиление или ослабление сигнала может происходить до оцифровки сигнала для улучшения представления сигнала. Усиливая или ослабляя сигнал, вы можете эффективно подстроиться под входной диапазон АЦП, тем самым позволяя АЦП использовать как можно больше цифровых делений для представления сигнала.

Например, на рисунке 2-11 показан эффект усиления сигнала, изменяющегося в диапазоне от 0 до 5 В с использованием 3-разрядного АЦП с входным диапазоном от 0 до 10 В. Без усиления (коэффициент усиления = 1) АЦП использует для преобразования только 4 из восьми делений. Если усилить сигнал в два раза, АЦП будет использовать все восемь оцифрованных делений, и цифровое представление сигнала окажется более точным. Практически, допустимый входной диапазон становится 0 до 5 В, потому что любой сигнал больше 5 В при умножении на 2 даст на входе АЦП напряжение больше 10 В.

Рисунок 2-11.Сигнал с усилением

Gain – коэффициент усиления

Доступные коэффициенты усиления DAQ-устройства определяют доступные входные диапазоны. Среди распространенных входных диапазонов DAQ-устройств ±10, ±5, ±2, ±1, ±0.5, ± 0.2 и ±0.1 В.

Вы не задаете непосредственно коэффициенты усиления или входные диапазоны устройств. Вместо этого при конфигурировании виртуального канала вы программно задаете ожидаемые максимальное и минимальное значения. DAQ-устройство автоматически выберет входной диапазон на основании этих настроек.

Разрешающая способность и доступные входные диапазоны устройство определяют минимальное обнаруживаемое изменение входного напряжения. Это изменение напряжения представляет собой один наименьший значащий бит (LSB) цифрового значения и называется шагом квантования по уровню (Code Width).

Шаг квантования по уровню

Шаг квантования по уровню – наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить система, рассчитывается по следующей формуле:

Шаг квантования = Входной диапазон устройства / 2разрешение в битах

Чем меньше шаг квантования, тем точнее устройство может представить сигнал. Формула подтверждает то, что вы уже узнали в процессе изучения разрешающей способности, диапазона и коэффициента усиления.

· Большее разрешение = меньше шаг квантования = более точное представление сигнала.

· Меньший входной диапазон устройства = меньше шаг квантования = более точное представление сигнала

Определение шага квантования важно при выборе DAQ-устройства. Например, 16-разрядное DAQ-устройство со входным диапазоном от –10 до 10 В может обнаружить изменение в 305 мкВ, а такое же устройство со входным диапазоном от -5 до 5 В – изменение в 153 мкВ.

Соображения о точности

Результат любого измерения – лишь приблизительная оценка действительного значения. В реальном мире невозможно точно измерить настоящее значение. Всегда существуют физические ограничения того, насколько хорошо мы может измерить какую-то величину. Этот предел называется точностью измерений.






Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 367. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.268 сек.) русская версия | украинская версия