数据采集 课件.pdf

在测试、测量及工业自动化等领域中，都需要进行数

据采集，而基于LabVIEW设计的虚拟仪器主要就是用

于获取物理世界的数据并进行数据分析与呈现。因此

就要用到数据采集（DataAcquisition，DAQ）技术。

DAQ技术是LabVIEW的核心技术，LabVIEW提供了

丰富的数据采集软件资源，使其在测量领域发挥强大

的功能。

9.1数据采集基础

9.1.1奈奎斯特采样定理

自然界中的物理量大多是在时间、幅值上连续变化的模拟

量，而信息处理多是以数字信号的形式由计算机来完成。

所以将模拟信号变为数字信号是实现信息处理的必要过程，

该过程的第一步就是对模拟信号进行采样。若连续信号x(t)

是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc对x(t)采样时，若保

证采样频率fs≥2fc，那么即可由采样后的数字信号x(nTs)恢

复出x(t)此基本原则称为奈奎斯特采样定理。如果采样频

率fs2fc，则通过采样后的数字信号无法还原原来的信号，

称为欠采样，如图9.1所示出现了伪信号。一般情况下，在

采样时，fs至少为fc的2倍，工程上一般常取为6～8倍。

9.1.2信号类型

数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因

为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，

只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和配置

合适的采集参数。

通常任意一个信号都是随时间而改变的物理量。一般

情况下，信号所承载的信息是很广泛的，比如状态、

速率、电平、形状、频率成分等。根据信号承载信息

方式的不同，可以将信号分为数字信号和模拟信号。

数字信号又可分为开关信号和脉冲信号；模拟信号又

可分为直流信号、时域信号和频域信号。

1.模拟直流信号

模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。

直流信号最重要的信息是它在给定区间内承载的信息

的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变

等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的

精度以正确测量信号电平。由于直流信号变化缓慢，

用软件计时就足够了，不需要使用硬件计时。

2.模拟时域信号

模拟时域信号是指在连续时间范围内，其幅度是连续

的信号。例如通常讲的三相交流电压、电流都是模拟

信号。模拟时域信号与其他信号的不同在于，它在承

载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。

在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要

关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。

模拟时域信号又可分为缓慢变化的电压信号(如温度、

压力、流量和应力等)和时域信号(如雷达回波、血压

变化和汽车点火波形等)。模拟时域信号波形和关注的

信号参数如图9.2所示。

为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，

序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分

被采集到；要以一定的速率进行测量，这个测量速率

要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统

包括一个A/D转换器、一个采样时钟和一个触发器。

其中，A/D转换器的分辨率要足够高，以保证采集数

据的精度，带宽要足够大，用于高速率采样；要有精

确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器

应使测量在恰当的时间开始。

3.模拟频域信号

模拟频域信号与时域信号相似，从频域信号中提取的信息

是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时

间变化的特性。用于测量一个频域信号的测量系统必须有

一个A/D转换器、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形

的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提

取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应

用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟

频域信号很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号、

振动信号、语音和声纳等信号。其信号波形和关注的信号

参数如图9.3所示。

各种信号不是互相排斥的。一个特定的信号可能承载不只

一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它。可以用

不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的

各种信息。

4.数字信号

数字信号分为开/关信号、脉冲序列。数字信号的波形

和关注的信号参数如图9.4所示。

1)第一类数字信号是开关信号：一个开关信号承载的信息