A. Схема аналогового ввода

B. Шина передачи данных

c. RAM

D. Схема счетчика

E. Встроенные FIFO

2. Все DAQmx VI и узлы свойств доступны из палитры NI-DAQmx.

A. Да

b. Нет

3. Шаг квантования по уровню определяет, насколько близок результат измерения к истинному значению.

a. Да

B. Нет

Заметки

 

3. Аналоговый ввод

 

В этой лекции рассматриваются решения, которые вы должны принять при дискретизации аналогового входного сигнала, и описываются возможности LabVIEW по работе с NI-DAQmx VI. В этой лекции также описываются теория и принципы аналогового и цифрового запуска.

 

Темы

A. Заземление

B. Дискретизация

C. Поточечный сбор данных с программной синхронизацией

D. Архитектура DAQ-устройств

E. Получение конечной выборки данных с буферизацией

F. Непрерывный буферизированный сбор данных

G. Запуск

 

A. Заземление

Для получения точных и свободных от помех результатов измерений необходимо знать природу источника сигнала, подходящие для измерений конфигурацию DAQ-устройства и схему подключения. На рисунке 3-1 показана типичная система сбора данных. Целостность полученных данных зависит от всего пути распространения аналогового сигнала.

Рисунок 3-1. Типичная DAQ-система

Physical Phenomena – физическая величина, Temperature - температура, Pressure, - давление, Flow – расход, Displacement – перемещение, Light Intensity – интенсивность света, Density- плотность, Transducer – датчик (измерительный преобразователь), Voltage – напряжение, Current – ток, Resistance – сопротивление, Capacitance – емкость, Signal Conditioning – преобразование (согласование) сигналов, Data Acquisition Board or Measurement System – модуль сбора данных или измерительная система, Wiring – соединительные проводники

Чтобы охватить широкий диапазон приложений, большинство DAQ-устройств обладают определенной гибкостью конфигурирования узлов аналогового ввода. Эта гибкость может привести к затруднениям при сравнении преимуществ различных конфигураций и выборе подходящей для создаваемого приложения конфигурации. В этой части курса вы изучите разновидности конфигураций аналогового ввода, доступные в DAQ-устройствах, и узнаете, как выбрать и использовать конфигурацию, наилучшим образом соответствующую создаваемому приложению. Понимание типов источников сигналов и измерительных систем – предпосылка для применения правильных методов измерений.

Типы источников сигнала

Для аналогового ввода используются заземленные и плавающие источники сигнала.

Заземленные источники сигнала

Заземленный источник сигнала – такой, в котором сигналы напряжения снимаются относительно заземления системы, например, заземления в грунте или заземления здания, как показано на рисунке 3-2.

Рисунок 3-2. Заземленный источник сигнала

Ground – земля

Заземленные источники используют системную землю, то есть, имеют общую цепь заземления с измерительным прибором. Наиболее распространенные примеры заземленных источников – это устройства, подключаемые к заземлению здания через настенные розетки, например, генераторы сигналов и источники питания.

Примечание: Точки заземления двух независимо заземленных источников сигналов, как правило, обладают разными потенциалами. Разность потенциалов между двумя приборами, подключенными к одной и той жецепи заземления здания, обычно составляет от 10 мВ до 200 мВ. Разность может быть больше, если схемы распределения питания подключены неправильно. Это является причиной появления паразитных контуров заземления.

Плавающие источники сигналов

У плавающего источника сигнала выходное напряжение не связано с общей цепью заземления, заземления в грунте или заземления здания, как показано на рисунке 3-3.

Рисунок 3-3. Плавающий источник сигнала

Ground – земля

Распространенными примерами плавающих источников являются гальванические элементы, термопары, трансформаторы и изолирующие усилители. Обратите внимание на то, что на рис. 3-3 ни один из выводов источника не подключен к цепи заземления через настенную розетку, как у источника на рис. 3-2. Каждый терминал независим от заземления системы.

Типы измерительных систем

Наиболее распространенный электрический аналог схемы согласования (преобразования) сигналов – это датчик с выходным сигналом по напряжению. Преобразование в другие электрические величины, например, в ток или частоту, может происходить в случаях, когда сигнал должен передаваться по длинным кабелям в неблагоприятных условиях. Практически во всех случаях в конечном счете преобразованный сигнал перед измерением преобразуется обратно в напряжение. Поэтому важно понимать, что представляет собой источник сигнала напряжения.

Сигнал напряжения измеряется как разность потенциалов между двумя точками, как показано на рисунке 3-4.

Рисунок 3-4. Измерительная система

Measurement System –измерительная система

Вы настраиваете измерительную систему в соответствии с особенностями используемого оборудования и выполняемых измерений.

Дифференциальная измерительная система

Измерительные системы с дифференциальными входами используются совместно с плавающими (незаземленными) источниками сигнала. Ни один из дифференциальных входов измерительной системы не соединен с общей шиной или заземлением здания. Примерами подобных систем являются портативные приборы с батарейным питанием и устройства сбора данных с инструментальными (измерительными) усилителями.

Типичное устройство производства National Instruments, в котором реализована 8-канальная измерительная система с дифференциальными входами, показано на рис. 3-5. Аналоговые мультиплексоры (MUX) в измерительных цепях позволяют увеличить количество измерительных каналов, при этом достаточно одного инструментального усилителя. На рис. 3-5 вывод AIGND (заземление цепей аналогового ввода) является заземлением измерительной системы.

Рисунок 3-5. Восьмиканальная дифференциальная измерительная система

MUX – мультиплексор, Instrumentation Amplifier – инструментальный усилитель

Идеальная дифференциальная измерительная система реагирует только на разность потенциалов между двумя входами – положительным (+) и отрицательным (–). Синфазное напряжение – любое напряжение, измеренное относительно земли инструментального усилителя, присутствующее на обоих входах усилителя. Идеальная дифференциальная измерительная система полностью подавляет, или не измеряет, синфазное напряжение. Подавление синфазного напряжения полезно, поскольку оно часто вносится, как нежелательная помеха, в цепи соединения схем измерительной систем.

Однако несколько факторов, такие, как диапазон синфазного напряжении и коэффициент подавления синфазного напряжения (CMRR) ограничивают возможность реальных дифференциальных измерительных систем подавлять синфазное напряжение.

Синфазное напряжение

Диапазон синфазного напряжение ограничивает допустимый диапазон напряжения на каждом входе относительно земли измерительной системы. Нарушение этого ограничения может привести не только к погрешностям измерений, но и к выходу из строя компонентов прибора. Синфазное напряжение (V_cm) определяется следующим уравнением:

V_cm = (V ₊ + V _–) / 2

где V ₊ - напряжение на неинвертирующем терминале, а V _– - напряжение на инвертирующем терминале измерительной системы относительно системной земли.

Коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного напряжения (CMRR) определяет способность дифференциальной измерительной системы подавлять синфазный сигнал. CMRR зависит от частоты и, как правило, уменьшается с увеличением частоты. Чем больше CMRR, тем лучше усилитель может извлекать дифференциальный сигнал в присутствии синфазной помехи. Использование симметричной схемы может оптимизировать CMRR. Большинство DAQ-устройств задают CMRR до частоты линий силового электропитания, которая равна 60 Гц. В следующем уравнении описывается CMRR в децибелах (дБ):

На рисунке 3-6 показана простая цепь, для которой CMRR в децибелах рассчитывается как:

где V ₊ + V _– = V_cm

Рисунок 3-6. Иллюстрация синфазного напряжения

Instrumentation Amplifier – инструментальный усилитель

Заземленные и незаземленные измерительные системы с несимметричным входом

Заземленные и незаземленные измерительные системы с несимметричным входом используются с источниками сигналов с общей точкой, и измерения в них выполняются относительно общей точки. Если система с несимметричным входом заземлена (Referenced Single-Ended Measurement Systems – RSE), то напряжение измеряется относительно вывода заземления аналогового ввода AIGND, непосредственно соединенного с заземлением самой системы. На рис. 3-7 показана 8-канальная измерительная система с несимметричным входом и заземленным общим проводом.

 

Рисунок 3-7. 8-канальная измерительная система с несимметричным входом и заземленным общим проводом

MUX – мультиплексор, Instrumentation Amplifier – инструментальный усилитель

В устройствах сбора данных часто применяются схемы измерений с несимметричными входами без заземления общего провода (Non-Referenced Single-Ended Measurement Systems – NRSE) или псевдодифференциальные схемы. Схема реализации подобных подключений является вариантом схемы с заземленными несимметричными входами (рис. 3-8).

Рисунок 3-8. Измерительная система с несимметричным входом и незаземленным общим проводом

MUX – мультиплексор, Instrumentation Amplifier – инструментальный усилитель

В системах типа NRSE все измерения проводятся относительно общего вывода аналоговой части схемы (в устройствах сбора данных М серии он обозначен AISENSE), однако потенциал этого вывода может значительно отличаться от потенциала заземления системы (AIGND). Одноканальная система с незаземленным несимметричным входом аналогична одноканальной дифференциальной системе.

Измерение сигналов от разных источников

Существует два типа источников сигналов – заземленные и плавающие незаземленные.

Измерение сигналов от заземленных источников

Сигнал от заземленного источника лучше всего измерять с помощью дифференциальной измерительной системы. На рисунке 3-9 показана ошибка – заземленная измерительная система используется для измерения сигнала от заземленного источника. В этом случае измеряемое напряжение (V_m) представляет собой сумму напряжения сигнала (V_s) и разности потенциалов между землей источника сигнала и землей измерительной системы(Δ V_g). Значение этой разности потенциалов, как правило, не постоянно. Поэтому результаты измерения получаются зашумленными, часто с частотными компонентами линии электропередачи (60 Гц). Помехи, вносимые контуром заземления, могут иметь как компоненты постоянного тока, так и компоненты переменного тока, что вносит в измерения погрешность смещения и помехи. Разность потенциалов между двумя " землями" заставляет ток контура заземления протекать по смежным ветвям.

Рисунок 3-9. Ошибка при использовании заземленной измерительной системы для измерения заземленного источника сигнала

Grounded Signal Source - заземленный источник сигнала, Ground-referenced Measurement System - заземленная измерительная система.

 

Вы можете использовать заземленные измерительные системы, если уровни напряжения сигнала высоки, а цепи подключения между источником и измерительным прибором обладают низким импедансом. В этом случае качество измерения напряжения сигнала ухудшается контуром заземления, но это ухудшение может быть приемлемым. Обратите внимание на полярность заземленного источника сигналов, прежде чем подключать его к заземленной измерительной системе, поскольку источник сигнала может замкнуться на землю, что может его повредить.

Как схема с дифференциальными входами (DIFF), так и с несимметричными входами без заземления общего провода (NRSE) обеспечивают измерения незаземленным типичным DAQ-устройством. При любой схеме подключения разность между опорными точками сигнала и измерительного устройства образует синфазное напряжение для измерительной системы, и вычитается из измеренного сигнала. Это иллюстрируется рисунком 3-10.

Рисунок 3-10. Использование незаземленной измерительной системы с заземленным источником сигнала

Grounded Signal Source - заземленный источник сигнала, Ground-referenced or

Differential Measurement System - заземленная или дифференциальная измерительная система

Измерение сигналов от плавающих источников

Вы можете измерять сигналы от плавающих источников как при помощи дифференциальной, так и несимметричной измерительной системы. Однако при использовании дифференциальной системы убедитесь, что уровень напряжения синфазного сигнала относительно земли измерительной системы остается в пределах входного диапазона синфазного сигнала измерительного устройства.

Различные явления – например, входные токи смещения инструментального усилителя – могут сдвинуть уровень напряжения плавающего источника за пределы допустимого диапазона входной цепи DAQ-устройства. Для привязки этого уровня напряжения к некой опорной точке, используйте резисторы, как показано на рисунке 3-11.

Рисунок 3-11. Использование резисторов цепи смещения с плавающими источниками сигнала

Эти резисторы цепи смещения предоставляют путь для токов постоянного напряжения от входов инструментального усилителя к его земле. Если вы не используете резисторов, а источник сигнала плавающий, скорее всего, источник не останется в диапазоне синфазного сигнала инструментального усилителя, и усилитель войдет в насыщение. Вы должны привязать источник к цепи AIGND. Самый простой способ подключить источник сигнала к измерительной системе – соединить положительный вывод источника сигнала к положительному входу инструментального усилителя, а отрицательный вывод источника сигнала – к AIGND и к отрицательному входу инструментального усилителя без резисторов смещения. Такое подключение хорошо работает для связанных по постоянному току источников с импедансом менее 100 Ом. Для источников с большим импедансом при таком подключении сигнальная цепь становится значительно разбалансированной. Электростатические помехи, наводимые на линию положительного потенциала, не влияют на линию отрицательного потенциала, потому что она подключена к AIGND. Таким образом, эта помеха проявляет себя как дифференциальный, а не синфазный сигнал, и инструментальный усилитель такую помеху не подавляет. Поэтому вместо того, чтобы непосредственно подключить отрицательную линию к AIGND, соедините ее к AIGND через резистор, сопротивление которого примерно в 100 раз больше импеданса источника. Резистор практически балансирует сигнальную цепь, так что на оба входа наводятся примерно одинаковые помехи. Это помогает достичь лучшего подавления электростатическх помех.

Вы можете полностью сбалансировать сигнальную цепь, подключив еще один резистор того же номинала между положительным входом и AIGND, как показано на рисунке 3-11. Подобная полностью сбалансированная конфигурация предлагает чуть лучшее подавление помех, но обладает отрицательным свойством, а именно, нагружает источник последовательной цепочкой (суммой) двух резисторов. Например, если импеданс источника равен 2 кОм, а каждый из двух резисторов равен 100 кОм, то нагрузка источника будет составлять 200 кОм, что приведет к погрешности коэффициента передачи – 1%.

Для работы усилителя требуется подключение к земле по постоянному току обоих его входов. Если источник связан по переменному току или (емкостная связь), для работы инструментального усилителя необходим резистор между положительным входом и AIGND. Если у источника низкий импеданс, выберите резистор с сопротивлением достаточно большим, чтобы не значительно нагрузить источник, но достаточно маленьким, чтобы не вызвать значительного сдвига входного напряжения из-за входного тока смещения (как правило, от 100 кОм до1 МОм). В этом случае вы можете подключить отрицательный вход непосредственно к AIGND. Если источник имеет высокий выходной импеданс, необходимо сбалансировать сигнальную цепь, как описано ранее, используя резисторы с одинаковым сопротивлением на положительном и отрицательном входе. Нагрузка источника приводит к некоторой погрешности коэффициента передачи.

ВниманиеНеиспользование резисторов приводит к погрешностям измерений или получению отсчетов, соответствующих насыщению усилителя (максимально или минимально возможные значения выходного напряжения).

Резисторы предоставляют обратный путь к земле для входных токов смещения инструментального усилителя. Для источников, связанных по постоянному току, требуется только резистор R2. Для источников, связанных по переменному току, R1 = R2.

Если вы выбираете несимметричную входную схему, то можете использовать систему RSE для плавающего источника сигнала. В этом случае паразитного контура заземления не возникает. Вы можете также использовать систему NRSE, что предпочтительнее с точки зрения подавления помех. В этой конфигурации для плавающих источников требуется резистор (резисторы) смещения между входом AISENSE и землей измерительной системы (AIGND).

 

Выводы по способам подключения источников сигналов к измерительным системам

На рис. 3-12 обобщены способы подключения источника сигнала к измерительной системе.

Рисунок 3-12. Источники сигналов и системы измерений

 

B. Дискретизация

Люди воспринимают мир, как аналоговый. Все, что мы видим и слышим – непрерывно передаваемая информация, воспринимаемая нашими органами чувств. Именно непрерывность потока отличает аналоговые данные. Цифровая информация приблизительно оценивает аналоговые данные, используя только нули и единицы. Из-за множества преимуществ цифровой обработки сигналов компьютером аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму. Цифровой сигнал – такой сигнал, который может принять только конечный набор значений как зависимой, так и независимой переменной. Обычно независимая переменная – это время или пространство, а зависимая – амплитуда.

Цифровые сигналы повсюду в современном мире. Телефонные компании используют цифровые сигналы для представления человеческого голоса. Радио, телевидение, видеоплееры, телефоны и hi-fi аудиосистемы – в конечном счете, все переходят в цифровую область из-за ее превосходящей точности, подавления шума и гибкости обработки сигналов. Между спутниками и наземными станциями данные передаются в цифровой форме. Фотографии удаленных планет и космического пространства NASA обрабатываются в цифровом виде для удаления шума и извлечения полезной информации. Экономические данные, результаты переписей населения и курсы ценных бумаг сегодня доступны в цифровом виде.

Дискретизация сигналов

Чтобы получить аналоговый сигнал, сначала вы должны преобразовать аналоговый сигнал в его цифровое представление. На практике это реализуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Рассмотрим аналоговый сигнал x (t), у которого берутся отсчеты каждые Δ t секунд. Временной интервал Δ t называется интервалом дискретизации или периодом выборки. Обратная величина 1/Δ t называется частотой дискретизации (выборки) и измеряется в отсчетах/сек. Каждое дискретное значение x(t) в моменты времени t = 0, Δ t, 2Δ t, 3Δ t, и т.д., называется отсчетом. Таким образом, x(0), x(Δ t), x(2Δ t),... – это отсчеты. Сигнал x (t) может быть представлен дискретной последовательностью отсчетов, как показано в следующей формуле:

{ x (0), x (Δ t), x (2Δ t), x (3Δ t), …, x (k Δ t), … }

На рисунке 3-13 показан аналоговый сигнал и соответствующий ему дискретизированный вариант. Период дискретизации равен Δ t. Отсчеты снимаются через дискретные интервалы времени.

Рисунок 3-13. Аналоговый и дискретизированный сигналы

В данном курсе отдельные отсчеты обозначаются следующим образом:

x [i] = x (i Δ t), i = 0, 1, 2, …

Если N отсчетов получены из сигнала x (t), то x (t) может быть представлен последовательностью:

X = { x [0], x [1], x [2], x [3], …, x [N–1] }

Это называется цифровым представлением дискретизированной версии x (t). Обратите внимание, что последовательность X = { x [i]} индексируется целочисленной переменной i и не содержит информации о частоте дискретизации. Зная только значения отсчетов в X, вы не сможете определить частоту дискретизации.

Частота дискретизации

Одним из наиболее важных элементов измерительной системы аналогового ввода или вывода является частота, с которой измерительное устройство осуществляет выборку поступающего сигнала или генерирует выходной сигнал. Частота сканирования, или частота дискретизации в NI-DAQmx определяет, как часто происходит аналого-цифровое или цифро-аналоговое преобразование. При вводе с высокой частотой дискретизации за заданное время собирается больше отсчетов, чем при низкой частоте дискретизации, что позволяет получить лучшее представление оригинального сигнала. Генерация сигнала частотой 1 Гц с использованием 1000 отсчетов на период при частоте дискретизации 1000 отсчетов/c обеспечивает куда лучшее воспроизведение, чем использование 10 отсчетов на период при частоте дискретизации 10 отсчетов/c.

Искажение спектра (алиасинг)

Слишком низкочастотная дискретизация приводит к искажению спектра – неправильной интерпретации аналогового сигнала. При недостаточной частоте дискретизации кажется, что сигнал имеет частоту, отличную от реальной. Во избежание искажения спектра, задавайте частоту дискретизации в несколько раз выше, чем частота сигнала.

На рисунке 3-14 показан адекватно дискретизированный сигнал и эффекты искажения спектра из-за низкой частоты дискретизации.

Рисунок 3-14. Влияние частоты дискретизации

В соответствии с теоремой Найквиста, для измерения частоты сигнала вы должны осуществлять выборку с частотой как минимум в два раза большей, чем максимальная частотная составляющая вашего сигнала. Частота Найквиста – максимальная частота, которую вы можете представить правильно (без искажения) для заданной частоты дискретизации, и она равна половине частоты дискретизации. Сигналы с частотными составляющими выше частоты Найквиста дают искажение спектра ложными компонентами, значения которых лежат в диапазоне от постоянной составляющей до частоты Найквиста. Ложная частота равна модулю разности между частотой входного сигнала и ближайшим целым кратным частоте дискретизации.

Например, пусть частота дискретизации f s равна 100 Гц, а входной сигнал содержит следующие частотные составляющие: 25 Гц, 70 Гц, 160 Гц и 510 Гц, как показано на рисунке 3-15.

Рисунок 3-15. Частотные составляющие сигнала

Nyquist Frequency – частота Найквиста, Sampling Frequency – частота дискретизации, Magnitude – амплитуда

Частоты ниже частоты Найквиста (f s/2 = 50 Гц) воспринимаются правильно, что показано на рисунке 3-16. Частоты выше частоты Найквиста вызывают искажение спектра. Например, F₁ (25 Гц) – это правильная частота, а компоненты F₂ (70 Гц), F₃ (160 Гц) и F₄ (510 Гц) – дают ложные частоты 30 Гц, 40 Гц и 10 Гц соответственно.

Рисунок 3-16. Ложныечастоты

Nyquist Frequency – частота Найквиста, Sampling Frequency – частота дискретизации, Magnitude – амплитуда, Actual Frequency – реальная частота, Alias – ложная низкочастотная составляющая

Используйте следующее уравнение для расчета ложной частоты:

Ложная частота = | (Ближайшее кратное целое частоты дискретизации – входная частота) |

Например,

Ложная частота F₂ = |100 – 70| = 30 Гц

Ложная частота F₃ = |(2)100 – 160| = 40 Гц

Ложная частота F₄ = |(5)100 – 510| = 10 Гц

Определение частоты дискретизации

Вы можете использовать максимальную частоту дискретизации, доступную в вашем измерительном устройстве. Однако при дискретизации с чрезмерно высокой частотой в течении длительного времени вам может не хватить памяти или объема жесткого диска для хранения данных. На рисунке 3-17 показаны эффекты использования различных частот дискретизации.

Рисунок 3-17. Результаты использования различных частот дискретизации.

Sampled at fs (2fs, 4fs/3) – сигналдискретизирован с частотой fs (2fs, 4fs/3)

В примере А синусоида частотой f дискретизируется с частотой fs = f; восстановленный по таким отсчетам сигнал выглядит неправильно, как уровень постоянного напряжения. Если увеличить частоту сбора данных до 2fs, оцифрованный сигнал будет содержать равное с исходным сигналом число периодов, т.е. частота будет определена корректно, однако форма дискретизированного сигнала будет треугольной, как показано в примере B. В примере C частота дискретизации составляет 4fs/3. Частота Найквиста в этом случае равна (4fs/3)/2 = 2fs/3. Поскольку в этом случае частота Найквистабольше частоты fs, дискретизированный сигнал воспроизводится искаженным и по частоте, и по форме. Путем увеличения частоты дискретизации удается повысить точность воспроизведения формы сигнала.

Теорема Найквиста обеспечивает начальную точку для выбора подходящей частоты дискретизации – как минимум в два раза выше наибольшей частотной составляющей сигнала. К сожалению, для практических целей этой частоты обычно недостаточно. В реальных сигналах часто содержатся частотные компоненты выше частоты Найквиста, дающие неправильные побочные компоненты, которые добавляются к правильно дискретизированным компонентам сигнала, что приводит к искажению собранных данных. Таким образом, для практических целей частота дискретизации обычно превышает максимальную частоту сигнала в несколько раз – как правило, от 5 до 10.

Антиалиасинговые фильтры

Как мы уже знаем, частота дискретизации должна быть, по меньшей мере, вдвое больше максимальной частоты в спектре дискретизируемого сигнала. Другими словами, максимальная частота входного сигнала должна быть меньше или равна половине частоты дискретизации. Но как обеспечить это на практике? Даже если вы точно знаете верхнюю частоту измеряемого сигнала, наводки от случайных сигналов (с линий электропередач или местных радиостанций) могут содержать частоты выше частоты Найквиста. Эти частоты приводят к искажению частотной области полезного сигнала, что приводит к ошибочным результатам измерений.

Чтобы полностью убедиться в ограничении частотных составляющих входного сигнала, перед АЦП ставится фильтр низких частот (фильтр, пропускающий низкие частоты, но подавляющий высокие). Этот аналоговый фильтр называется фильтром защиты от искажения спектра (антиалиасинговым фильтром), поскольку предотвращает искажение спектра сигнала путем подавления высокочастотных (с частотой выше, чем частота Найквиста) составляющих. Идеальный антиалиасинговый фильтр показан на рисунке 3-18.

Рисунок 3-18. Идеальный и реальный фильтры защиты от искажения спектра

a. Ideal Anti-alias Filter – идеальный фильтр защиты от искажения спектра
b. Practical Anti-alias Filter – реальный фильтр защиты от искажения спектра,
Filter Output – выход фильтра, Frequency – частота, Transition Band – переходная область

Идеальный фильтр защиты от искажения спектра пропускает все желаемые входные частоты (ниже f 1) и обрезает все нежелательные (выше f 1). Однако реализация идеального фильтра на практике невозможна. Реальные фильтры (рис. 3-18 b) пропускают все частоты ниже f 1 и отрезают все частоты выше f 2. Область между f 1 и f 2 называется переходной областью фильтра, где входные частоты постепенно ослабевают по мере их увеличения. Хотя вы хотите пропускать только частоты ниже f 1, сигналы из переходной области все равно могут приводить к искажению спектра. Поэтому на практике необходимо использовать частоту дискретизации больше удвоенной максимальной частоты в переходной области фильтра. Т.к. эта частота больше удвоенной максимальной частоты входного сигнала (f 1), то нетрудно заметить, что частота дискретизации превышает максимальную частоту входного сигнала более, чем в два раза.

C. Сбор данных по одному отсчету с программной синхронизацией

Вы можете осуществлять однократную выборку с программной синхронизацией с помощью DAQmx Read VI.

Использование DAQmx Read VI

DAQmx Read VI, находящийся в палитре DAQmx - Data Acquisition, считывает отсчеты из заданной вами задачи или канала. Варианты этого полиморфного VI определяют, в каком формате возвращать отсчеты, читать ли по одному по нескольку отчетов, из одного или из нескольких каналов. Используйте выпадающее меню для выбора варианта VI, как показано на рисунке 3-19.

 

Рисунок 3-19. DAQmx Read VI

В первом меню вы можете выбрать один из следующих типов ввода:

· Analog - аналоговый

· Digital - цифровой

· Counter - таймерный

· More (Raw Data) - другой (необработанные данные)

Используйте второе меню для определения количества считываемых каналов или считывания неотмасштабированых данных. Используйте третье меню для выбора чтения одного или нескольких отсчетов. Если выбран режим считывания по одному отсчету, используйте четвертое меню выбора для определения, возвращать данные в формате waveform или в виде чисел с плавающей точкой двойной точности. Если вы выбрали режим считывания нескольких отсчетов (массива отсчетов), используйте четвертое меню для определения, возвращать ли данные в формате waveform или как массив чисел с плавающей точкой двойной точности.

При обращении к каналам аналогового ввода или вывода вам может потребоваться сразу обратиться не к одному, а к нескольким каналам. Если у этих каналов одинаковый тип синхронизации и запуска, сгруппируйте их в задачу. В противном случае используйте инструмент I/O Name Filtering в контекстном меню элемента управления или константы глобального или физического канала NI-DAQmx и выберите Allow Multiple Names (выбрано по умолчанию). Разделите имена каналов запятой. Вы не можете обращаться к нескольким задачам одновременно.

Рисунок 3-20. Окно I/O Name Filtering

Рисунок 3-21. Элемент управления DAQmx Name

Тип данных Waveform

Тип данных waveform представляет собой кластер, состоящий из следующих элементов:

· Y – в зависимости от операции это одномерный массив числовых данных или данных типа waveform, который может состоять из одного отсчета. Формат представления данных DBL.

· t₀ – скалярное значение, представляющее собой время по системному таймеру, соответствующее первому полученному отсчету в массивеY. Этот элемент называется начальной временной меткой (timestamp)

· Δ t – скалярное значение, представляющее собой интервал времени между отсчетами данных в массиве Y.

· Attributes – строка, позволяющая вам добавлять другую информацию о сигнале, например, номер устройства или канала.

Тип данных waveform имеет множество преимуществ над обычным масштабированным массивом.

· Наличие t₀ – до появления типа данных waveform вы не могли знать, когда были собраны данные. Тип данных waveform автоматически возвращает дату и время через элемент t₀, что дает вам реальное время сбора данных.

· Упрощается вывод на график – тип данных waveform упрощает вывод данных на графический индикатор. В предыдущих версиях LabVIEW требовалось объединять в кластер значения начального отсчета (x₀) и времени между отсчетами (Δ x) с данными (массив Y). Тип данных waveform содержит все эти элементы, так что вам только остается подключить его к графическому индикатору.

· Упрощается вывод на график нескольких линий – тип данных waveform упрощает вывод на графический индикатор нескольких линий. В предыдущих версиях LabVIEW требовалось объединять в кластер x₀, Δ x и массив Y для каждой линии, а затем создавать массив для отображения нескольких линий. При помощи типа данных вы просто подключаете одномерный массив данных типа waveforms к графическому индикатору. Если данные собираются из нескольких каналов с помощью VI аналогового ввода, VI возвращает одномерный массив, который можно напрямую подключить к графическому индикатору.

 

Сбор данных по одному отсчету с программной синхронизацией

Для программной синхронизации однократного считывания отсчетов поместите DAQmx Read в цикл While Loop, в каждой итерации цикла будет считываться по одному отсчету. Поместите одну из функции задержки в цикл While Loop для реализации программно регулируемой частоты сбора данных.

Рисунок 3-22. Сбор данных по одному отсчету с программной синхронизацией

 

D. Архитектура DAQ-устройств

 

Количество и компоновка компонентов устройства зависят от типа используемого DAQ-устройства. Архитектура устройства влияет на то, как будет измеряться сигнал.

DAQ-устройства компании National Instruments для измерения аналоговых сигналов могут быть выполнены по одной из двух основных архитектур, показанных на рисунке 3-23.

Рисунок 3-23. Архитектуры аналогового ввода

 

Архитектура с поочередной дискретизацией состоит из одного мультиплексора (MUX), одного инструментального усилителя и одного АЦП. В этой схеме все входные каналы используют один общий АЦП. Использования одного АЦП значительно снижает цену этой архитектуры, поэтому она используется в устройствах серии M и некоторых устройствах серии X.

Архитектура с одновременной дискретизацией в каждом канале содержит инструментальный усилитель и АЦП. Эта архитектура используется в большинстве устройств серии S. Хотя эта архитектура дороже, чем использование одного АЦП для всех каналов, она позволяет выполнять одновременную выборку и достигать намного более высоких частот дискретизации на канал.

Терминология процесса дискретизации

· Samples per Channel per Second (количество отсчетов на канал в секунду) - количество отсчетов, собираемых в каждую секунду.

· Sample Clock (импульс взятия отсчета, синхроимпульс дискретизации) - последовательность импульсов, используемая для начала сбора отсчетов. Каждый раз, как генератор синхроимпульсов формирует импульс, из каждого канала получают по одному отсчету.

· AI Convert Clock - последовательность импульсов, используемая для запуска аналого-цифрового преобразования.

· Sample Duration (длительность выборки) - время, требуемое на получе