Сбор данных и согласование сигналов Учебное пособие

Программное обеспечение курса, версия 2009 г.

Издание – февраль 2010

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

Сбор данных и согласование сигналов Учебное пособие 1

Техническая поддержка по всему миру и информация о выпускаемой продукции 3

Штаб-квартира корпорации National Instruments 3

Офисы по всему миру 3

Для студентов 7

А. Сертификация NI 7

В. Описание курса 8

С. С чего нужно начинать 9

D. Цель курса 11

E. Условные обозначения 12

1. Общие сведения о DAQ системах 13

Темы 13

A. Общие сведения о DAQ системах 14

B. Датчики 14

C. Сигналы 15

D. Оборудование DAQ 22

E. Согласование сигналов 22

F. Программное обеспечение DAQ 23

Выводы 24

Самопроверка: короткий тест 25

Самопроверка: ответы 26

Заметки 27

2. Оборудование и программное обеспечение сбора данных 28

Темы 28

A. Оборудование сбора данных 29

B. Компоненты DAQ-устройства 33

C. Выбор подходящего DAQ устройства 38

D. Программное обеспечение DAQ 45

E. Обзор NI-DAQmx VI 51

Выводы 55

Самопроверка: короткий тест 56

Самопроверка: ответы 57

Заметки 58

3. Аналоговый ввод 59

Темы 59

A. Заземление 60

B. Дискретизация 71

C. Сбор данных по одному отсчету с программной синхронизацией 77

D. Архитектура DAQ-устройств 79

E. Буферизированный сбор массива данных конечного размера 83

F. Непрерывный буферизированный сбор данных 88

G. Запуск 92

Выводы 98

Самопроверка: Короткий тест 99

Самопроверка: Ответы 100

Заметки 101

4. Аналоговый вывод 102

Темы 102

A. Архитектура аналогового вывода 103

B. Вывод одного отсчета 104

С. Буферизированная генерация сигнала конечной длительности 106

D. Непрерывная буферизированная генерация 111

E. Генерация с запуском 114

Выводы 116

Самопроверка: короткий тест 117

Самопроверка: ответы 118

Заметки 119

5. Цифровой ввод-вывод 120

Темы 120

A. Общие сведения о цифровом вводе и выводе 121

B. Цифровой ввод-вывод 123

C. Аппаратно синхронизируемый цифровой ввод-вывод 126

Выводы 128

Самопроверка: короткий тест 129

Самопроверка: ответы 130

Заметки 131

6. Счетчики 132

Темы 132

A. Сигналы, с которыми работает счетчик 133

B. Счет фронтов 138

C. Генерация импульсов 141

D. Измерение параметров импульсов 146

E. Измерение частоты 149

F. Измерение перемещений 155

Выводы 158

Самопроверка: короткий тест 159

Самопроверка: ответы 160

Заметки 161

7. Согласование сигналов 162

Темы 162

A. Общие сведения о согласовании сигналов 163

B. Системы согласования сигналов 163

C. Согласование сигналов при измерении напряжения 164

D. Измерения температуры 175

E. Измерение деформации, давления, нагрузки и крутящего момента 182

F. Измерение характеристик звука и вибрации 195

Выводы 201

Самопроверка: короткий тест 202

Самопроверка: ответы 203

Заметки 204

8. Синхронизация 205

Темы 205

A. Синхронизация измерений 206

В. Синхронизация внутри устройства 210

C. Синхронизация нескольких устройств 213

D. Счетчики и синхронизация 217

Выводы 222

Самопроверка: короткий тест 223

Самопроверка: ответы 225

Заметки 227

Приложение А. Теория DAQ 228

Темы 228

A. Теория датчиков 229

B. Схема аналогового ввода-вывода 235

Заметки 242

Приложение В. Обработка сигналов 243

Темы 243

A. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и быстрое преобразование Фурье (БПФ) 244

B. Информация об амплитуде и фазе 246

C. Разрешение по частоте и симметрия ДПФ/БПФ 247

D. Спектр мощности 252

E. Растекание спектра и сглаживающие окна 256

F. Характеристики различных типов оконных функций 260

G. Выбор типа окна, который необходимо использовать 265

H. Фильтрация 268

I. Идеальные фильтры 269

J. Реальные (неидеальные) фильтры 271

K. Преимущества цифровых фильтров по сравнению с аналоговыми фильтрами 273

L. БИХ и КИХ фильтры 274

M. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой 276

N. Сравнение БИХ фильтров 281

O. Переходная характеристика БИХ фильтров 283

P. Фильтры с конечной импульсной характеристикой 285

Выводы 288

Заметки 289

Приложение С Дополнительная информация и ресурсы 290

Техническая поддержка National Instruments 290

Другие учебные курсы National Instruments 291

Сертификация National Instruments 291

Ресурсы LabVIEW 291

Заметки 293

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