第 5 章 信号调理和数据采集

组建一个最简单的基于组建一个最简单的基于 LabVIEWLabVIEW 的测试的测试系统，系统，传感器、信号调理传感器、信号调理和和数据采集模块数据采集模块是是最基本的硬件。其中，最基本的硬件。其中，传感器传感器是将被测试的是将被测试的物理量转换为电量的最基础的环节，物理量转换为电量的最基础的环节，数据采数据采集集则将模拟信号转换成数字信号供计算机进则将模拟信号转换成数字信号供计算机进行分析处理，而行分析处理，而信号调理信号调理往往是两者之间的往往是两者之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来模块可以接受的信号类型联系起来。 。

第第 55 章 信号调理和数据采集章 信号调理和数据采集

以往，信号调理环节往往是由测试工以往，信号调理环节往往是由测试工程人员自己设计，或用多个独立信号调理程人员自己设计，或用多个独立信号调理仪器自己搭建。但目前国内外许多厂家研仪器自己搭建。但目前国内外许多厂家研制出各种功能的信号调理板卡，作为标准制出各种功能的信号调理板卡，作为标准模块投放市场。这些信号调理模块可以适模块投放市场。这些信号调理模块可以适应不同的总线结构，提供不同的功能选择应不同的总线结构，提供不同的功能选择和价格档次。其中，和价格档次。其中， NINI 公司的公司的仪器信号调仪器信号调理板卡理板卡 SCXISCXI 是是 LabVIEWLabVIEW 软件直接支持的一软件直接支持的一种信号调理模块，在种信号调理模块，在 LabVIEWLabVIEW 环境中调用环境中调用非常方便。非常方便。

5.1 5.1 信号调理及其硬件选用信号调理及其硬件选用

SCXISCXI 系列信号调理卡包括多种功能模块，可系列信号调理卡包括多种功能模块，可以根据测试需要选择单个或多个模块安装于前置机以根据测试需要选择单个或多个模块安装于前置机箱中。这些模块的功能包括：箱中。这些模块的功能包括： 11 ．模拟输入．模拟输入 热电偶、热敏电阻、应变片、压力／负载／热电偶、热敏电阻、应变片、压力／负载／扭矩传感器、加速度计、线性差动变压器、毫伏电扭矩传感器、加速度计、线性差动变压器、毫伏电压源、电压源压源、电压源 (( 最高最高 DC l000V)DC l000V) 、、 4~20mA4~20mA 的电流的电流源、频率输入、动态信号。源、频率输入、动态信号。 22 ．模拟输出．模拟输出 激励电压及电流模拟输出。激励电压及电流模拟输出。 33 ．数字．数字 I/OI/O 光隔离光隔离 I/OI/O 、、 AC/DCAC/DC 输入、固态继电器、机电输入、固态继电器、机电继电器。继电器。 44 ．开关．开关 通用开关、多路复用开关、矩阵开关。通用开关、多路复用开关、矩阵开关。

信号调理板卡的选用（信号调理板卡的选用（ P116P116 ） ） 11 、考虑、考虑 SCXISCXI 系列信号调理卡的配置方式系列信号调理卡的配置方式22 、不应过分依赖计算机的硬件结构和软件、不应过分依赖计算机的硬件结构和软件

操作系统操作系统33 、要注意调理卡与数据采集设备的通信方、要注意调理卡与数据采集设备的通信方

式式44 、要注意可扩展性、要注意可扩展性

数据采集是测试信号从模拟信号变成数据采集是测试信号从模拟信号变成计算机能够接受和处理的数字信号的过程，计算机能够接受和处理的数字信号的过程，数据采集板卡中最关键的器件是其数据采集板卡中最关键的器件是其模数转模数转换芯片换芯片。。

5.2 5.2 数据采集及其硬件选择数据采集及其硬件选择

5.2.1 5.2.1 模数转换基本原理模数转换基本原理 模数转换通常简写成模数转换通常简写成 A/DA/D 变换变换 (Analog-Digit(Analog-Digital)al) 。。

模数转换基本原理：模数转换基本原理：

模数转换的输入信模数转换的输入信号是在时间上和幅度上都号是在时间上和幅度上都是是连续连续变化的模拟信号，变化的模拟信号，输出信号是在时间上和幅输出信号是在时间上和幅度上都是度上都是离散离散的数字信号，的数字信号，从连续信号到离散信号的从连续信号到离散信号的变换过程可以看成变换过程可以看成采样和采样和量化量化的过程。的过程。

A/DA/D 变换器的性能指标：变换器的性能指标：

①① 转换位数：转换位数：经过量化后的幅值量还要表示经过量化后的幅值量还要表示成二进制数才能被计算机识别和处理，成二进制数才能被计算机识别和处理， A/DA/D 转换位转换位数就是二进制数的长度。转换位数越大，在参考电数就是二进制数的长度。转换位数越大，在参考电压情况下其转换精度也越高；压情况下其转换精度也越高；

②② 转换速度：转换速度：在在 A/DA/D 变换中常用转换时间来变换中常用转换时间来表示，即完成一次采样所需要的时间。表示，即完成一次采样所需要的时间。

5.2.2 5.2.2 模数转换芯片的几种类型及其选用模数转换芯片的几种类型及其选用

分类：逐次逼近法分类：逐次逼近法 A/DA/D 、双积分法、双积分法 A/DA/D 和并和并行比较法行比较法 A/D A/D

5.2.3 5.2.3 数据采集卡的选用（数据采集卡的选用（ p124p124 ））

11 ．数据分辨率和精度．数据分辨率和精度22 ．最高采样速度 ．最高采样速度 33 ．通道数 ．通道数 44 ．数据总线接口类型 ．数据总线接口类型 55 ．是否有隔离 ．是否有隔离 66 ．板卡本身是否带有微处理器．板卡本身是否带有微处理器

77．是否有标定功能 ．是否有标定功能 88．支持的软件驱动程序及其软件平台 ．支持的软件驱动程序及其软件平台

另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如输入电压的最大范围、输入增益的种类、是否有模拟输出、输入电压的最大范围、输入增益的种类、是否有模拟输出、输入触发的类型等。输入触发的类型等。

一些数据采集板卡的主要指标：一些数据采集板卡的主要指标：

5.2.4 5.2.4 信号的连接方式信号的连接方式

对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号对于大多数模拟输入设备，可以有三种不同的信号连接方式：差分连接方式：差分 DIFF(differentialDIFF(differential ）、参考单端）、参考单端 RSERSE(referenced single-ended(referenced single-ended）和非参考单端）和非参考单端 NRSENRSE(nonreferenced single-ended(nonreferenced single-ended））

差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道，所有输入信号各自有自己的参考点。此种连接常用于低电所有输入信号各自有自己的参考点。此种连接常用于低电平信号（平信号（ <1V<1V ）；信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声）；信号电缆比较长或没有屏蔽，环境噪声较大；输入信号中有要求单独的参考点的信号。较大；输入信号中有要求单独的参考点的信号。

单端测试系统可以使用两倍的测试通道，所有信号单端测试系统可以使用两倍的测试通道，所有信号都参考一个公共参考点即仪器放大器的负极。此种连接常都参考一个公共参考点即仪器放大器的负极。此种连接常用于高电平信号（用于高电平信号（ >1V>1V ）；信号电缆比较短（）；信号电缆比较短（ <5m)<5m) 或有或有屏蔽，环境无噪声；所有信号可以共享一个公共参考点。屏蔽，环境无噪声；所有信号可以共享一个公共参考点。

5.3 5.3 在在 LabVIEWLabVIEW 中实现最简单的数据采集中实现最简单的数据采集

5.3.1 5.3.1 在在 Measurement&Automation ExplorerMeasurement&Automation Explorer 中完成数据采集卡的性能测试和属性配置中完成数据采集卡的性能测试和属性配置

5.3.2 LabVIEW5.3.2 LabVIEW 中的数据采集中的数据采集 VIVI在在 LabVIEWLabVIEW 中，数据采集Ⅵ主要位于中，数据采集Ⅵ主要位于 MeasuremenMeasuremen

ttI/OI/O子模板。其到达途径为子模板。其到达途径为 function Measurement I/function Measurement I/OO 。。在这个子模板中，又分别有在这个子模板中，又分别有 NI-DAQmxNI-DAQmx和和 Data AcquisiData Acquisitiontion 两个子模板提供不同的数据采集两个子模板提供不同的数据采集 VIVI 。。

LabVIEWLabVIEW 中的数据采集中的数据采集 VIVI

LabVIEWLabVIEW 中的数据采集实际上包含了模拟输入、中的数据采集实际上包含了模拟输入、模拟输出、数字输入模拟输出、数字输入 // 输出和计数器输出和计数器 44 种信号输入输种信号输入输出方式。在典型的测试系统中，用得最多的方式是模出方式。在典型的测试系统中，用得最多的方式是模拟输入方式。拟输入方式。

LabVIEWLabVIEW 中的数据采集中的数据采集 VIVI一个多点多通道波形数据采集的过程：一个多点多通道波形数据采集的过程：

①① 数据采集Ⅵ通知数据采集卡相关的采样参数数据采集Ⅵ通知数据采集卡相关的采样参数：：· · 采样频率采样频率，即多路开关进行一次扫描的频率；，即多路开关进行一次扫描的频率；· · 采样次数采样次数，即多路开关扫描的次数；，即多路开关扫描的次数；· · 采样通道采样通道，即多路开关对哪些通道进行扫描；，即多路开关对哪些通道进行扫描；· · 数据缓存的大小数据缓存的大小，确定每次将多少次扫描的数据存储到数据缓存中。，确定每次将多少次扫描的数据存储到数据缓存中。②② 采样开始采样开始，多路开关对采样通道进行一次依次扫描，每个通道采样一个，多路开关对采样通道进行一次依次扫描，每个通道采样一个点；点；③③ 采样的模拟信号送到采样的模拟信号送到 A/DA/D 转换器转换成数字信号转换器转换成数字信号；；④④ 数字信号存储到数据缓存数字信号存储到数据缓存；；⑤⑤ 重复②—④的操作重复②—④的操作，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储到缓存中；到缓存中；⑥⑥ 从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中。。⑦⑦ 单点、单通道或不经过缓存的采样过程将上述过程作相应的简化即可。单点、单通道或不经过缓存的采样过程将上述过程作相应的简化即可。

5.3.3 LabVIEW5.3.3 LabVIEW 中模拟信号输入中模拟信号输入 VIVI 应用应用图图 5-205-20所示为用初级数据采集所示为用初级数据采集 VIVI 进行多通道进行多通道

波形数据采集的例子。这个例子仅仅用一个波形数据采集的例子。这个例子仅仅用一个 AI AcqAI Acquire Waveforms.viuire Waveforms.vi 为核心就实现了两个通道的一为核心就实现了两个通道的一段波形的采样段波形的采样 (0(0通道为正弦波，通道为正弦波， 55 通道为同频率的通道为同频率的方波方波 )) 。如果需要进行连续采样，则需要加入循环。如果需要进行连续采样，则需要加入循环结构。结构。

而图而图 5-215-21 所示的例子用中级数据采集所示的例子用中级数据采集 VIVI实现实现了同样的采样过程，这个过程用了了同样的采样过程，这个过程用了 44 个数据采集个数据采集 VlVl即即 AIConfig.viAIConfig.vi 、 、 AI Start.viAI Start.vi 、 、 AI read.viAI read.vi 和和AI ClearAI Clear。和上面的例子相比，采集过程中多了对。和上面的例子相比，采集过程中多了对数据缓存大小、读取缓存个数及读取缓存中数据多数据缓存大小、读取缓存个数及读取缓存中数据多少的设置，这无疑增加了采集过程的灵活性。少的设置，这无疑增加了采集过程的灵活性。