虚拟仪器设计方法
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on
On-Off
Digital
1-
off t
状态
Pulse Train Signals DC
速率
t
0-
0.985
幅值
t
Analog
Time Domain
t
形状
Frequency Domain
f
频率
7
数字信号
on 1off t 0t
开关信号
连续脉冲信号
Input: 检测一个开关闭合
Output: 关闭一个阀
=
AD的输入范围 增益 * 2 n
n = # of ADC bits
14
A/D 采样率
Adequately sampled
Aliased due to undersampling
Nyquist 原理: 采样率 > 2倍的最高频率
15
多通道采集
采集模式
连续扫描
Battery 1
通道设置
单端/差分输入
单一通道每秒采样点数 ？SPS/Hz
采样时钟
速率等于采样率
AI转换时钟
直接产生A/D转换的时钟 对于多路复用采样架构来说，通道之间会有延时 对于同步采样架构来说，通道之间的转换时钟是同步的
0 1 2 3
0 1 2 3
0 1 2 3
AI Convert Clock
Sample Clock
原型板 可替换 自定义Banana, BNC, D-Sub连接
可变电源供电 10 bit 分辨率 0到+12V, 0到-12V 500 mA电流范围
21
ELVISII平台原型板
AI、 示波器、 PFI
数字 I/O
计数器、 LED
电源、波形发生器、AO、 DMM
22
原型板行、列连接
Battery 2
Strain gauge 1
单极性/双极性
信号范围：增益 扫描顺序
同步采样
Strain gauge 2
间隔扫描
Temp Pressure
16
触发方式
软件触发 (SW)
Software Command Initiates Acquisition
数字触发 (HW)
TTL Signal
36
数据采集中的接地问题
+
信号源 VS
-
VM
测量系统
接地信号源
浮地信号源
+ Vs _
+ Vs _
37
接线方式1：差分 (Differential)
可以抑制共模电压和共模噪声
VS +
_
ACH + ACH +
仪器放大器
AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
38
接线方式2：参考单端（RSE）
17
数据采集卡的优越性
灵活
成本较低
性能选择范围大 有大量的软件工具可用 利用PC技术
18
虚拟仪器专题设计实验
ELVISII 平台简介
ELVISII平台硬件指标
示波器 16 bit 分辨率 1.25 MS/s 单通道 500kS/s 双通道共计 1到1.5 MHz 带宽 1x和10x探针 ±10 V 输入范围 AC/DC耦合 BNC连接 USB连接 即插即用 USB 2.0
49
数字示波器(SCOPE)的基本功能
函数发生器(FGEN)和示波器
(SCOPE) 硬件连线
3
PC缓存 LabVIEW Buffer
4
PC缓存 LabVIEW Buffer
33
连续采集时可能的数据传输异常
板载 FIFO PC内存溢出Overwrite
解决办法: 1. 增加程序循环读取速度 (不要在 采集循环里放太多处理工作) 2. 选用更快的CPU 3. 增大PC RAM，并通过编程指定 更大的Buffer 4. 降低采样速率(如果允许)
信号
输 入 速 率
总线传输 速率
ASIC
PC缓存
应用程序内存
板载内存溢出Overflow
解决办法: 1. 提高总线带宽 2. 选择板载FIFO较大的板卡 3. 降低采样速率(如果允许)
PC RAM
34
触发 (Trigger)
触发的概念
每个动作需要一个“激励”或“原因” 动作：比如由外部的一个状态变化来启动一次数据采集
VS
+
仪器放大器
+
VM _
_
AIGND
测量系统
40
对于接地信号源的测量
最好
+ V _s
+ 抑制共模电压 – 可用通道数减少一半
Differential
– 两个地之间的电压Vg会产生接地回 路, 所产生的电流有可能损坏设备 RSE
不推荐
+ 所有的通道都可以使用 – 不能抑制共模电压
可以
NRSE
41
对于浮地信号源的测量
Input: 检测光电编码器的脉冲
Output: 产生一个方波
DAQ卡需要考虑的指标
通道数 分辨率 时钟频率
8
数字信号调理
需要交流切换或大电流的负载
电磁阀 阀 加热器 灯 泵 机械式继电器 或 固体继电器
电动机
生产过程监测
机械式继电器 接近开关 温度调节器 或 固体继电器
数字I/O
限位开关
手动开关
+ 抑制共模电压 – 可用通道数减少一半 – 需要偏置电阻
+ V _s 最好
Differential
RSE
+ 所有的通道都可以使用 + 不需要偏置电阻 – 不能抑制共模电压
好
AISENSE
NRSE
+ 所有的通道都可以使用 – 需要偏置电阻 – 不能抑制共模电压
42
可以
偏置电阻
信号源
+
测量系统
+ R1 R2 -
创建任务
配置任务
开始任务
采集数据
清除任务
27
输入(测量)范围
仪器放大器
AMP
ADC
为了提高小信号的测量精度，模拟采集通道配有仪器放大器 通过合理设置输入最大值和最小值参数，可以使DAQ设备自动配 置最合适的仪器放大器增益，从而尽量用满ADC位数
28
采样术语 (针对硬件定时)
采样率
输入范围
±10 V, ±5 V, ±2 V, ±1 V, ±0.5 V, ±0.2 V, ±0.1 V
虚拟仪器专题设计实验
虚拟数字示波器
虚拟数字示波器实验目的
研究数字示波器(SCOPE)的基本功能和技术指标
通道控制、时基（扫描）控制、触发控制 参数计算和游标测量功能
了解多功能数据采集卡硬件模拟输入通道的工作原理 掌握 NI DAQmx 仪器驱动器的概念和编程方法 掌握利用 NI DAQmx 实现模拟信号输入的编程方法 基于多功能数据采集卡，设计开发虚拟数字示波器
测量基于对地参考 不能抑制共模噪声
+
ACH + ACH +
仪器放大器
VS
_
AISENSE AIGND
测量系统
+ VM _
_
39
接线方式3：非参考单端 (NRSE)
测量基于对AISENSE端的参考 但是多个通道测量时，AISENSE是共用的
不能抑制共模电压 + ACH + ACH _AISENSE
学生独立设计和实现
学生制作PPT进行汇报和演示
教师评分
4
虚拟仪器专题设计实验
多功能数据采集卡简介
多功能数据采集卡
模拟输入/输出
数字输入/输出
On Off
1
AI – A/D AO – D/A Digital I/O DAQ Board Counter/Timer
时钟输入/输出
0
6
信号分类
信号根据其所传递的有用信息进行分类
共模电压 or 高电压
光隔离
9
模拟信号
0.985 t t f
直流信号
时域信号
频域信号
温度 压力 流量 应变
心电信号 血压 单次事件
振动 语音 声纳
DAQ卡需要考虑的指标参数
DC 精度 分辨率 采样率 AC 和 DC 精度 触发 分辨率 采样率 AC 精度 触发 滤波器
10
模拟信号调理
低电压信号
隔离，放大，滤波
开始触发 时钟
1 开始采集 2 3 4 5 停止采集
触发的分类
开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）
模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）
不同的设备不一定支持所有触发方式，可参阅相关手册
35
LabVIEW中对触发的编程
在任务种增加 DAQmx Trigger.vi 并作相应配置
证总线的数据转移速率大于数据的输入速率，同时程 序必须尽快读取PC缓存中的数据。
有限点数据采集
采样点数设置
采样率设置 创建任务 配置任务 开始任务
读取多个采样 采集数据 清除任务
31
连续数据采集
采样率设置 程序每次从 PC缓存 读取的采样数
采样率
驱动程序会根据采样率设置自动选
PC缓存
1 kS 10 kS
-
仪器放大器会 产生偏置电流
AIGND
浮地信号源采用差分或NRSE方式时需要通过偏置电阻为偏置电流提供
入地通道
推荐值10 k and 100 k
43
NI ELVIS平台的模拟数据采集部分
通道数
8路差分或16路单端
ADC分辨率16位
采样率
单通道最高1.25MS/s 多通道1MS/s (所有通道合计)
本科生课程《仪器设计专题实验》
虚拟仪器专题设计实验
内容
专题设计实验安排
多功能数据采集卡简介 设计实验
2
专题设计实验安排
第二个阶段
3-6周，共计4周，8学时/周
设计实验（24学时）
虚拟数字示波器（24学时）
1人一组
3
专题设计实验安排
教学方式
确定项目设计目标
START TRIG* Input of MIO Board
Edge Initiates Acquisition
模拟触发 (HW)
Level and Slope of Analog Signal Initiates Acquisition
条件获取 (SW)
Level and Slope of Analog Signal Retrieves Acquisition
电流输入/输出
电流与电压的转换 隔离，放大，滤波
RTDs(热电阻) 和 热敏电阻
激励电源 隔离，放大，滤波 冷端补偿 隔离，放大，滤波 激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，滤波
多功能I/O
热电偶
应变仪
11
Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI)
择合适的 PC缓存 大小。
0-100 S/s 100-10,000 S/s
10,000–1,000,000 S/s
> 1,000,000 S/s
100 kS
1 MS
理解连续数据采集时 PC缓存
通过总线接收的采集数据
1
PC缓存
2
PC缓存 LabVIEW Buffer LabVIEW程序从 PC缓存 读 取数据进入LabVIEW Buffer
23
应用软件
Application Software
LabVIEW
Instrument I/O
NI DAQmx (.dll)
USB-6211
DAQ Card
24
应用软件
数据表达
应用程序
仪器 I/O
数据分析
数据采集 (仪器驱动器)
与数据采集相关的函数选板 DAQmx
26
DAQmx数据采集程序的基本架构
DAQ卡的前端信号调理模块
12
SCXI 选择
信号调理
传感器和信号 • 热电偶 • RTDs • 热敏电阻 • 应变仪 • 电压信号 微伏，毫伏，伏 • 电流信号 4~20 mA, 0~20 mA • 数字信号
• 多路复用
• 放大
• 隔离 • 滤波
• 传感器激励
• 冷端补偿 • ……
13
A/D 分辨率
阻抗分析仪 0.2 Hz到35 kHz范围 NPN, PNP, 二极管 其他分析 波特图分析仪 2-线电流电压分析 3-线电流电压分析 集成DAQ AI采样率1.25 MS/s 单通道, 500kS/s双通道 16 bit分辨率 AO 2.8 MS/s更新率 24 DIO, 15 PFI, 2 CTR
Amplitude 10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0 0 20 111 110 code width
100
011 010 001 000 40 60 80 100 120 140
3-bit ADC
Time
16-bit ADC
Code width = smallest detectable change in voltage
29
硬件定时的采集需要通过Buffer
有限点采集 (Finite) 和 连续采集 (Continuous)
板载 FIFO
信号
输入速率
ASIC
总线 (如 PCI / USB)
转移速率
PC缓存
应用程序内存
PC RAM
LabVIEW
PC缓存必须够大 (至少需超过一次传递的数据量) 连续采集中，如果要使两处缓存一直不溢出，必须保
ห้องสมุดไป่ตู้
数字万用表 隔离 5½ 位 60 VDC，20Vrms, 2 ADC, 2 Arms, 100MΩ
函数发生器 10-bit ±5V范围 0.2 Hz到5 MHz 正弦 0.2 Hz到1 MHz 三角波/ 方波 软件或手动可控 BNC或原型板连接
20
ELVISII平台硬件指标
On-Off
Digital
1-
off t
状态
Pulse Train Signals DC
速率
t
0-
0.985
幅值
t
Analog
Time Domain
t
形状
Frequency Domain
f
频率
7
数字信号
on 1off t 0t
开关信号
连续脉冲信号
Input: 检测一个开关闭合
Output: 关闭一个阀
=
AD的输入范围 增益 * 2 n
n = # of ADC bits
14
A/D 采样率
Adequately sampled
Aliased due to undersampling
Nyquist 原理: 采样率 > 2倍的最高频率
15
多通道采集
采集模式
连续扫描
Battery 1
通道设置
单端/差分输入
单一通道每秒采样点数 ？SPS/Hz
采样时钟
速率等于采样率
AI转换时钟
直接产生A/D转换的时钟 对于多路复用采样架构来说，通道之间会有延时 对于同步采样架构来说，通道之间的转换时钟是同步的
0 1 2 3
0 1 2 3
0 1 2 3
AI Convert Clock
Sample Clock
原型板 可替换 自定义Banana, BNC, D-Sub连接
可变电源供电 10 bit 分辨率 0到+12V, 0到-12V 500 mA电流范围
21
ELVISII平台原型板
AI、 示波器、 PFI
数字 I/O
计数器、 LED
电源、波形发生器、AO、 DMM
22
原型板行、列连接
Battery 2
Strain gauge 1
单极性/双极性
信号范围：增益 扫描顺序
同步采样
Strain gauge 2
间隔扫描
Temp Pressure
16
触发方式
软件触发 (SW)
Software Command Initiates Acquisition
数字触发 (HW)
TTL Signal
36
数据采集中的接地问题
+
信号源 VS
-
VM
测量系统
接地信号源
浮地信号源
+ Vs _
+ Vs _
37
接线方式1：差分 (Differential)
可以抑制共模电压和共模噪声
VS +
_
ACH + ACH +
仪器放大器
AISENSE AIGND
+ VM _
_
测量系统
38
接线方式2：参考单端（RSE）
17
数据采集卡的优越性
灵活
成本较低
性能选择范围大 有大量的软件工具可用 利用PC技术
18
虚拟仪器专题设计实验
ELVISII 平台简介
ELVISII平台硬件指标
示波器 16 bit 分辨率 1.25 MS/s 单通道 500kS/s 双通道共计 1到1.5 MHz 带宽 1x和10x探针 ±10 V 输入范围 AC/DC耦合 BNC连接 USB连接 即插即用 USB 2.0
49
数字示波器(SCOPE)的基本功能
函数发生器(FGEN)和示波器
(SCOPE) 硬件连线
3
PC缓存 LabVIEW Buffer
4
PC缓存 LabVIEW Buffer
33
连续采集时可能的数据传输异常
板载 FIFO PC内存溢出Overwrite
解决办法: 1. 增加程序循环读取速度 (不要在 采集循环里放太多处理工作) 2. 选用更快的CPU 3. 增大PC RAM，并通过编程指定 更大的Buffer 4. 降低采样速率(如果允许)
信号
输 入 速 率
总线传输 速率
ASIC
PC缓存
应用程序内存
板载内存溢出Overflow
解决办法: 1. 提高总线带宽 2. 选择板载FIFO较大的板卡 3. 降低采样速率(如果允许)
PC RAM
34
触发 (Trigger)
触发的概念
每个动作需要一个“激励”或“原因” 动作：比如由外部的一个状态变化来启动一次数据采集
VS
+
仪器放大器
+
VM _
_
AIGND
测量系统
40
对于接地信号源的测量
最好
+ V _s
+ 抑制共模电压 – 可用通道数减少一半
Differential
– 两个地之间的电压Vg会产生接地回 路, 所产生的电流有可能损坏设备 RSE
不推荐
+ 所有的通道都可以使用 – 不能抑制共模电压
可以
NRSE
41
对于浮地信号源的测量
Input: 检测光电编码器的脉冲
Output: 产生一个方波
DAQ卡需要考虑的指标
通道数 分辨率 时钟频率
8
数字信号调理
需要交流切换或大电流的负载
电磁阀 阀 加热器 灯 泵 机械式继电器 或 固体继电器
电动机
生产过程监测
机械式继电器 接近开关 温度调节器 或 固体继电器
数字I/O
限位开关
手动开关
+ 抑制共模电压 – 可用通道数减少一半 – 需要偏置电阻
+ V _s 最好
Differential
RSE
+ 所有的通道都可以使用 + 不需要偏置电阻 – 不能抑制共模电压
好
AISENSE
NRSE
+ 所有的通道都可以使用 – 需要偏置电阻 – 不能抑制共模电压
42
可以
偏置电阻
信号源
+
测量系统
+ R1 R2 -
创建任务
配置任务
开始任务
采集数据
清除任务
27
输入(测量)范围
仪器放大器
AMP
ADC
为了提高小信号的测量精度，模拟采集通道配有仪器放大器 通过合理设置输入最大值和最小值参数，可以使DAQ设备自动配 置最合适的仪器放大器增益，从而尽量用满ADC位数
28
采样术语 (针对硬件定时)
采样率
输入范围
±10 V, ±5 V, ±2 V, ±1 V, ±0.5 V, ±0.2 V, ±0.1 V
虚拟仪器专题设计实验
虚拟数字示波器
虚拟数字示波器实验目的
研究数字示波器(SCOPE)的基本功能和技术指标
通道控制、时基（扫描）控制、触发控制 参数计算和游标测量功能
了解多功能数据采集卡硬件模拟输入通道的工作原理 掌握 NI DAQmx 仪器驱动器的概念和编程方法 掌握利用 NI DAQmx 实现模拟信号输入的编程方法 基于多功能数据采集卡，设计开发虚拟数字示波器
测量基于对地参考 不能抑制共模噪声
+
ACH + ACH +
仪器放大器
VS
_
AISENSE AIGND
测量系统
+ VM _
_
39
接线方式3：非参考单端 (NRSE)
测量基于对AISENSE端的参考 但是多个通道测量时，AISENSE是共用的
不能抑制共模电压 + ACH + ACH _AISENSE
学生独立设计和实现
学生制作PPT进行汇报和演示
教师评分
4
虚拟仪器专题设计实验
多功能数据采集卡简介
多功能数据采集卡
模拟输入/输出
数字输入/输出
On Off
1
AI – A/D AO – D/A Digital I/O DAQ Board Counter/Timer
时钟输入/输出
0
6
信号分类
信号根据其所传递的有用信息进行分类
共模电压 or 高电压
光隔离
9
模拟信号
0.985 t t f
直流信号
时域信号
频域信号
温度 压力 流量 应变
心电信号 血压 单次事件
振动 语音 声纳
DAQ卡需要考虑的指标参数
DC 精度 分辨率 采样率 AC 和 DC 精度 触发 分辨率 采样率 AC 精度 触发 滤波器
10
模拟信号调理
低电压信号
隔离，放大，滤波
开始触发 时钟
1 开始采集 2 3 4 5 停止采集
触发的分类
开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）
模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）
不同的设备不一定支持所有触发方式，可参阅相关手册
35
LabVIEW中对触发的编程
在任务种增加 DAQmx Trigger.vi 并作相应配置
证总线的数据转移速率大于数据的输入速率，同时程 序必须尽快读取PC缓存中的数据。
有限点数据采集
采样点数设置
采样率设置 创建任务 配置任务 开始任务
读取多个采样 采集数据 清除任务
31
连续数据采集
采样率设置 程序每次从 PC缓存 读取的采样数
采样率
驱动程序会根据采样率设置自动选
PC缓存
1 kS 10 kS
-
仪器放大器会 产生偏置电流
AIGND
浮地信号源采用差分或NRSE方式时需要通过偏置电阻为偏置电流提供
入地通道
推荐值10 k and 100 k
43
NI ELVIS平台的模拟数据采集部分
通道数
8路差分或16路单端
ADC分辨率16位
采样率
单通道最高1.25MS/s 多通道1MS/s (所有通道合计)
本科生课程《仪器设计专题实验》
虚拟仪器专题设计实验
内容
专题设计实验安排
多功能数据采集卡简介 设计实验
2
专题设计实验安排
第二个阶段
3-6周，共计4周，8学时/周
设计实验（24学时）
虚拟数字示波器（24学时）
1人一组
3
专题设计实验安排
教学方式
确定项目设计目标
START TRIG* Input of MIO Board
Edge Initiates Acquisition
模拟触发 (HW)
Level and Slope of Analog Signal Initiates Acquisition
条件获取 (SW)
Level and Slope of Analog Signal Retrieves Acquisition
电流输入/输出
电流与电压的转换 隔离，放大，滤波
RTDs(热电阻) 和 热敏电阻
激励电源 隔离，放大，滤波 冷端补偿 隔离，放大，滤波 激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，滤波
多功能I/O
热电偶
应变仪
11
Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation (SCXI)
择合适的 PC缓存 大小。
0-100 S/s 100-10,000 S/s
10,000–1,000,000 S/s
> 1,000,000 S/s
100 kS
1 MS
理解连续数据采集时 PC缓存
通过总线接收的采集数据
1
PC缓存
2
PC缓存 LabVIEW Buffer LabVIEW程序从 PC缓存 读 取数据进入LabVIEW Buffer
23
应用软件
Application Software
LabVIEW
Instrument I/O
NI DAQmx (.dll)
USB-6211
DAQ Card
24
应用软件
数据表达
应用程序
仪器 I/O
数据分析
数据采集 (仪器驱动器)
与数据采集相关的函数选板 DAQmx
26
DAQmx数据采集程序的基本架构
DAQ卡的前端信号调理模块
12
SCXI 选择
信号调理
传感器和信号 • 热电偶 • RTDs • 热敏电阻 • 应变仪 • 电压信号 微伏，毫伏，伏 • 电流信号 4~20 mA, 0~20 mA • 数字信号
• 多路复用
• 放大
• 隔离 • 滤波
• 传感器激励
• 冷端补偿 • ……
13
A/D 分辨率
阻抗分析仪 0.2 Hz到35 kHz范围 NPN, PNP, 二极管 其他分析 波特图分析仪 2-线电流电压分析 3-线电流电压分析 集成DAQ AI采样率1.25 MS/s 单通道, 500kS/s双通道 16 bit分辨率 AO 2.8 MS/s更新率 24 DIO, 15 PFI, 2 CTR
Amplitude 10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0 0 20 111 110 code width
100
011 010 001 000 40 60 80 100 120 140
3-bit ADC
Time
16-bit ADC
Code width = smallest detectable change in voltage
29
硬件定时的采集需要通过Buffer
有限点采集 (Finite) 和 连续采集 (Continuous)
板载 FIFO
信号
输入速率
ASIC
总线 (如 PCI / USB)
转移速率
PC缓存
应用程序内存
PC RAM
LabVIEW
PC缓存必须够大 (至少需超过一次传递的数据量) 连续采集中，如果要使两处缓存一直不溢出，必须保
ห้องสมุดไป่ตู้
数字万用表 隔离 5½ 位 60 VDC，20Vrms, 2 ADC, 2 Arms, 100MΩ
函数发生器 10-bit ±5V范围 0.2 Hz到5 MHz 正弦 0.2 Hz到1 MHz 三角波/ 方波 软件或手动可控 BNC或原型板连接
20
ELVISII平台硬件指标