Ćwiczenie 11
Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania sygnałów
Program ćwiczenia:
1. Budowa prostego komputerowego systemu akwizycji danych.
2. Obserwacja widm typowych sygnałów.
3. Obserwacja wpływu doboru częstotliwości próbkowania.
4. Obserwacja zjawiska powielenia widma.
5. Kwantowanie.
6. Dobór parametrów karty pomiarowej.
Wykaz przyrządów:
" Multimetr cyfrowy Rigol DM3051.
" Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E.
" Generator sygnałów Rigol DG1022.
" Karta pomiarowa NI 6009.
Literatura:
[1] W. Nawrocki.  Komputerowe Systemy Pomiarowe . WKA
, Warszawa, 2002.
[2] R. G. Lyons.  Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów . WKA
, Warszawa 1999.
[3] T. P. Zieliński.  Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań . WKA
, Warszawa, 2005.
[4] I. N. Bronsztejn, K. A. Siemiendiajew  Matematyka, Poradnik encyklopedyczny , Wydawnictwo Naukowe
PWN, 1997
Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych:
[5] Instrukcja obsługi: RIGOL, Multimetry cyfrowe serii DM3000
[6] Instrukcja obsługi: RIGOL, Generatory przebiegów funkcyjnych i arbitralnych serii DG1000
[7] Instrukcja obsługi: RIGOL, Oscyloskopy cyfrowe serii DS1000E, DS1000D
[8] Dokumentacja karty pomiarowej: USER GUIDE AND SPECIFICATIONS NI USB 6008/6009
http://www.kmet.agh.edu.pl  > dydaktyka  > Materiały dla studentów
Strony www:
http://www.rigolna.com/
http://digital.ni.com/  > Support
Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego:
" twierdzenie o próbkowaniu,
" kwantowanie, kodowanie,
" rozdzielczość przetwornika A/C,
" widmo sygnału, rozdzielczość częstotliwościowa widma,
" reprezentacja widmowa sygnału w przypadku niespełnienia twierdzenia o próbkowaniu, aliasing,
" konfiguracja wejść karty pomiarowej: SE, DIFF, dobór zakresu
ASPEKTY TECHNICZNE
Podłączanie sygnałów do karty pomiarowej
Karta pomiarowa jest przyrządem uniwersalnym, który posiada wejścia i wyjścia zarówno
sygnałów analogowych jak i cyfrowych. W przypadku wejść analogowych, oznaczanych zazwyczaj
symbolem AI (ang. analog input), wejścia kart mogą być konfigurowane w dwóch podstawowych
trybach pracy: niesymetrycznym (ang. single ended) oraz różnicowym (ang. differential). Rodzaj
konfiguracji określa dostępną liczbę  kanałów pomiarowych czyli maksymalną liczbę
obserwowanych jednocześnie sygnałów. Przykład oznaczeń wejść karty NI USB 6009 w zależności od
trybu pracy znajduje siÄ™ w dokumentacji karty [8] w tabeli 4 (Analog Terminal Assignments).
W trybie single ended (skrót RSE) pomiary wykonywane są względem wspólnej masy  kanał
pomiarowy tworzony jest przez wejście AI oraz wspólną masę GND. Na rysunku 1a przedstawiono
przykład podłączenia dwóch sygnałów napięciowych do karty pomiarowej w trybie RSE. Jeżeli karta
posiada przykładowo 8 wejść analogowo cyfrowych, które zostaną skonfigurowane w trybie single
ended, wówczas mamy do dyspozycji 8 niezależnych kanałów pomiarowych umożliwiających
jednoczesne śledzenie 8 sygnałów pomiarowych. Pomiary tego typu wykonuje się np. oscyloskopem,
który ma przynajmniej dwa kanały wejściowe, obydwa mierzące sygnał względem jednego
potencjału, zazwyczaj masy układu. Wadą tego typu połączeń jest bardzo mała odporność na
zakłócenia elektromagnetyczne indukowane w przewodach, szczególnie przy pomiarach sygnałów
o małej amplitudzie (< 1V) dokonywanych długimi kablami (> 3m) oraz przy występujących dużych
zakłóceniach elektromagnetycznych.
Tryb differential umożliwia pomiar sygnałów, które nie posiadają wspólnego potencjału np.
napięcia na wyjściu z transformatorów separujących. Taki pomiar sygnałów różnicowych wymaga
zastosowania dwóch wejść karty pomiarowej. Wejścia podłączane do punktu o wyższym potencjale
oznaczane są znakiem plus  + lub  HI zaś wejście o niższym potencjale znakiem minus
   lub  LO . Rysunek 1b i 1d przedstawia sposób podłączenia sygnału napięciowego do wejść karty
pomiarowej pracujących w trybie różnicowym. Karta pomiarowa posiadająca 8 wejść analogowo
cyfrowych, skonfigurowanych w trybie różnicowym posiada jedynie cztery kanały pomiarowe.
Podstawową zaletą trybu differential jest tłumienie sygnałów wspólnych występujących na wejściach
 + i    . Dzięki temu, ten typ połączenia szczególnie chętnie jest stosowany w pomiarach sygnałów o
małej amplitudzie (< 1V), dokonywanych na dużych odległościach oraz przy występujących silnych
polach elektromagnetycznych. Dzięki temu, że wynik pomiaru jest różnicą napięć na wejściach  +
i    , wszelkie zakłócenia o charakterze addytywnym są odejmowane.
Kanały różnicowe tworzone są w ten sposób, że pierwsza połowa wejść (np. AI0 AI3) stanowią
wejścia wyższego potencjału  + zaś druga połowa (AI4 AI7), wejścia niższego potencjału    . Kanał
pomiarowy o numerze 0 tworzy para wejść , zaś kolejne kanały to pary , AI6>, . Wejście masy karty pomiarowej GND powinno być dołączone do jednego punktu
układu, zazwyczaj podłącza się go do masy układu lub najniższego potencjału.
Dokładny opis nazw wejść oraz odpowiadających im oznaczeń znajduje się zawsze w
dokumentacji konkretnej karty pomiarowej [8].
Rysunek 1 dłączenia syg arty pomiaro
1 Sposób pod gnałów do ka owej
Bud mu pomiarow
dowa system wego
Na rysunku 2 przedstawi schemat pomiaro uwzględ mbole orzystane
iono owy dniajÄ…cy sym wyko
w urząd omiarowych umożliwiają rejestrację sygnału z generato z jedno
dzeniach po Ä…cy ora oczesnym
pomiare wości oraz z możliwością a ekranie osc R
em częstotliw ą obserwacji sygnału na cyloskopu. Realizacja
praktycz u została um a rysunku 3.
zna schematu mieszczona na
Rysunek 2 Schemat p gurowana do e różnicowym.
pomiarowy, karta skonfig o pracy trybie
Rysunek 3 ta realizacja schematu z rysunku 2.
3 Rzeczywist
1. Budowa prostego komputerowego systemu akwizycji danych pomiarowych
W ramach ćwiczeń konieczne będzie wykorzystanie prostego systemu do akwizycji
danych pomiarowych w oparciu o oprogramowanie LabVIEW Signal Express 2009. W tym
celu należy:
1) Uruchomić program LabVIEW Signal Express 2009, skrót do programu znajduje się na pulpicie
komputera.
2) Następnie, wybieramy: File  > New Project.
3) Klikamy na ikonÄ™ Add Step (rys. 4).
4) Wybieramy Acquire Signals  > DAQmx Acquire  > Analog Input  > Voltage.
Rysunek 4 Budowa systemu do akwizycji danych pomiarowych. Tworzenie kanału.
5) Następnie wybieramy kanał karty pomiarowej przy pomocy, którego będzie przeprowadzana
rejestracja sygnału (AI0) (rys. 5).
6) Po wybraniu kanału, pojawi się okno (rys. 6) umożliwiające konfigurację systemu akwizycji
(wybór rodzaju podłączenia, częstotliwość próbkowania, itd.). Podczas pomiarów zmian
parametrów można dokonywać w zakładce Step Setup.
Rysunek 5 Wybór kanału.
Rysunek 6 Konfiguracja pomiarów.
7) W ustawieniach należy wybrać: zakres pomiarowy +/ 10 V (Signal Input Rage), liczba próbek w
jednym bloku 1024 (Samples to Read), tryb akwizycji  praca ciągła (Aquisition Mode),
częstotliwość próbkowania na 1024 Hz (Rate (Hz)) oraz skonfigurować kartę do pracy w trybie
Differential (Terminal Configuration).
8) Następnie dokładamy moduł odpowiedzialny za analizę częstotliwościową: (Add Step  > Analysis
 > Frequency Domain  > Measurements  > Power Spectrum)
9) W oknie konfiguracyjnym wybieramy: Window  > None, Spectrum Type  > Magnitude, Peak
Conversion  > Peak, Magnitude scale  > linear (rys. 7).
Rysunek 7 Konfiguracja widma.
10) W celu wyświetlenia rejestrowanych próbek oraz widma klikamy w zakładkę Data View.
Następnie przeciągamy (rys. 8) (przy wciśniętym lewym klawiszu myszy sygnały które chcemy
wizualizować; w naszym przypadku DAQmx Acquire  > Voltage czyli sygnał rejestrowany,
a następnie widmo Power Spectrum  > spectrum )
11) Ostatecznie otrzymujemy skonfigurowane okno, w którym będziemy obserwować sygnały.
12) Pomiary uruchamiany klikajÄ…c w ikonÄ™ Run.
Eksportu danych można dokonać klikając prawym przyciskiem myszy na wykresie,
z którego dane chcemy eksportować. Dane możemy eksportować do pliku tekstowego lub
Excela.
Rysunek 8 Konfiguracja wyświetlania
Rysunek 9 Okno pracy
W celu zapisania wykresów oraz pomiarów należy wykorzystać możliwość tworzenia
dokumentacji w programie LabVIEW Signal Express. Projekt dokumentacji można stworzyć
wykorzystując metodę: przeciągnij i upuść (drag & drop). Projekt jest dostępny w menu: View  >
Project Documentation. Szczegółowa instrukcji obsługi oprogramowaniu znajduje się na stanowisku
pomiarowym. Każdy stworzony dokument powinien zaczynać się od opisu zawierającego imiona,
nazwiska studentów wykonujących ćwiczenie, grupę, dzień i godzinę odbywania zajęć oraz numer
załącznika nadany przez studentów.
2. Obserwacja widm typowych sygnałów
Po przygotowaniu oprogramowania do rejestracji sygnałów należy w parametrach karty
pomiarowej ustawić:
" częstotliwość próbkowania: fp = 1024 Hz,
" liczbę rejestrowanych próbek: N = 1024,
" tryb akwizycji: Continuous Samples
" zakres pomiarowy: Ä…10 V
" konfiguracja wejść analogowych: DIFF.
Następie należy wygenerować następujące sygnały oraz w konspekcie z ćwiczenia umieścić
otrzymane widma sygnałów (w skali liniowej oraz logarytmicznej):
a) sygnał sinusoidalny o amplitudzie równej 1.5 V i częstotliwości 150 Hz,
b) y = 2Å"sin(2Å"Ä„ Å"150Å"t)+1 ,
c) sygnał trójkątny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 50 Hz,
d) prostokątny o wypełnieniu 0.5, amplitudzie 1 V oraz częstotliwości 50 Hz,
e) arbitralny sygnał EKG zapisany w pamięci generatora.
Generacja sygnału arbitralnego wbudowanego
Procedura generacji sygnału arbitralnego może zostać przedstawiona w następujących punktach:
1) Nacisnąć przycisk na panelu frontowym generatora.
2) Następnie wybieramy Load w celu wyboru przebiegu.
3) Nacisnąć przyciski BulitIn  > Cardiac
Konfiguracja parametrów przebiegu arbitralnego została opisana w instrukcji obsługi generatora
str. 3 7 dostępnej na stanowisku.
3. Obserwacja wpływu doboru częstotliwości próbkowania
Zmontować układ pomiarowy umożliwiający równoczesną obserwację dwóch sygnałów
wygenerowanych w generatorze na ekranie oscyloskopu oraz karty pomiarowej. Schemat układu
należy zamieścić w sprawozdaniu.
Po przygotowaniu oprogramowania do rejestracji sygnałów należy w parametrach karty
pomiarowej ustawić:
" częstotliwość próbkowania: fp = 1024 Hz,
" liczbę rejestrowanych próbek: N = 1024,
" tryb akwizycji: Continuous Samples
" zakres pomiarowy: Ä…10 V
" konfiguracja wejść analogowych: DIFF.
W generatorze na wyjściu kanału pierwszego wygenerować sygnał sinusoidalny o amplitudzie
równej 1 V i częstotliwości 150 Hz, w drugim kanale sygnał sinusoidalny o takiej samej amplitudzie
oraz częstotliwości 1174 Hz.
W sprawozdaniu należy umieścić otrzymane widma oraz sformułować wnioski na ich podstawie.
4. Obserwacja zjawiska powielenia widma
Zmontować układ umożliwiający jednoczesną obserwację widma sygnału oraz sygnału przez kartę
pomiarową oraz oscyloskop generowanego przez generator sygnałów.
Do rejestracji można wykorzystać program przygotowany w punkcie 2. Parametry rejestracji
ustawić następująco:
" częstotliwość próbkowania: fp = 1024 Hz,
" liczbę rejestrowanych próbek: N = 1024,
" tryb akwizycji: Continuous Samples
" zakres pomiarowy: Ä…10 V
" konfiguracja wejść analogowych: DIFF.
Następnie wygenerować sygnał sinusoidalny o amplitudzie równej 2V. Częstotliwość sygnału
należy zmieniać w zakresie od 0 do 2500 Hz. W sprawozdaniu proszę opisać zaobserwowane
zjawisko.
5. Kwantowanie
Proszę policzy rozdzielczość 16 bitowego przetwornika na zakresach:
a) 0  1 V
b) Ä… 5 V
c) Ä… 10V
6. Dobór parametrów karty pomiarowej
Jakie powinny być parametry karty pomiarowej aby zarejestrować sygnał podany równaniem
z błędem rozdzielczości niewiększym niż 0.01 V :
x(t) = 2 Å"sin(2 Å"Ä„ Å" 200Å"t)+ 4 Å"sin(2 Å"Ä„ Å" 600Å" t)+ 3
 tak aby możliwa byłaby poprawna rekonstrukcja sygnału analogowego? Zakres pomiarowy należy
dobrać z dostępnych trybów karty NI 6009.