测试系统的一些基本概念
- 输入模式：分为单端输入或者差分输入。单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V），信号源与采集端之间的距离较短（小于15ft），并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。
差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。 - 输入范围：输入范围是指ADC能够量化处理的最大、最小输入电压值。DAQ卡提供了可选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。
- 分辨率：是模/数转换所使用的数字位数。分辩率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。一个8位的DAQ卡内部A/D的输入范围细分为256份。二进制数从00000000到11111111分别代表每一份。此时转化来的数字信号有可能不能够很好地表示原始信号，因为分辩率还不够高，许多变化在模/数转换过程中丢失了。然而，如果把分辩率增加为16位，模/数转换的细分数值就可以从28增加到216即65536，它就可以相当准确地表示原始信号。
- 增益：增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。例如，当使用一个3位模数转换，输入信号范围为0到10V。当增益=1时，模/数转换只能在5V范围内细分成4份，而当增益=2时，就可以细分成8份，精度大大地提高了。但是必须注意，此时实际允许的输入信号范围为0到5V。一但超过5伏，当乘以增益2以后，输入到模/数转换的数值就会大于允许值10V。
总之，输入范围，分辩率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的0，1变化，通常叫做转换宽度（Code width）。其算式为：输入范围/（增益*2^分辩率）。
例如，一个12位的DAQ卡，输入范围为0到10伏，增益为1，则可检测到2.4mV的电压变化。而当输入范围为-10到10伏（20伏），可检测的电压变化量则为4.8mV。 - 采样率：决定了模/数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度就很差。
采样频率不够引起波形畸变。根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍。例如，音频信号的频率一般达到20KHz，因此其采样频率一般需要40KHz。 - 噪声抑制：平均化。噪声将会引起输入信号畸变。噪声可以是计算机外部的或者内部的。要抑制外部噪声误差，可以使用适当的信号调理电路，也可以增加采样信号点数，再取这些信号的平均值以抑制噪声误差，例如，如果以100个点来平均，则噪声误差将减小1/10。
一、信号源与测量系统
差动测量系统 ：差动测量系统是和浮地信号源相类似的，因为这些测量是与不同于系统地的浮地类似的。差动测量系统的输入并没有固定的参考点（如大地或建筑物地）。手持器、电池驱动的仪器和带有放大器的DAQ设备都是采用了差动测量系统。
差动与共模抑制
- 两信号的差值称为差动信号或者差模信号
- 两信号的算术平均值称为共模信号
CMRR是用来测量差动测量系统抑制共模电压信号的能力，CMRR是频率的函数，并且随着频率的减小而减小。CMRR越高，放大器能够从带有共模噪声的信号中提取差动信号越好。使用平衡电路可以提高CMRR。大部分的DAQ设备都规定了CMRR的电源频率（60Hz）。下式用分贝定义了CMRR：
参考和非参考单端测量系统
- 因为参考单端(Referenced single-ended)测量系统和非参考单端(Non-referenced single-ended)测量系统测量时接地，故它与共地信号源类似。
- 参考单端测量系统测量共地电压信号，它直接与测量系统地相接。
参考单端测量系统
- 在一个NRSE测量系统里，所有的测量都与AISENSE相接，但是这一节点的电位是与AIGND的电位不同的。单通道的NRSE测量系统是与单通道的差动测量系统相同的。
NRSE测量系统
关于接地
- 对接地符号的使用并没有严格地规定； 尤其当他们被提及或在文件中出现时特别会混淆。 常用的接地符号为，三条向下递减的水平线，这样让人直觉就知道是代表地面的意思。
- 一条水平线加上三条向下延伸的斜线代表大地或机箱的接地。
- 三条向下递减的水平线代表模拟地或者电路地。
- 中空的三角形通常表示数字接地，但是也常被用作参考接地。
- 一个符号或是数字摆在三角形中间的话，可能用来表示与其他参考点共地。
注意：这些接地点之间的电位不一定相等。 接地指的是待测电势(电压)的参考点。 不同的接地间将有电压差，当设备相连并进行测量时我们必须考虑到这个问题。
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电力线接地是安全装置；不流经正常路径的电流将透过一条替代的路径接入地面。在(现代)住宅中与电力线相连的将是绿色或者裸露的铜线。 电流一般不会流经这个导线； 它仅仅是为了安全目的而设置。由于它确实直接与地面连接，同时平常也不会导通，设备中的许多部分将连接这条导线以作为信号的参考点。 然而，如果在电力线某个地方的配线错误，那么这个接地就会成为带电的导体了。
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零线是电力公司在供电时电力返回的路径，他就是住宅供电线缆上的白色电缆。电力输送完整的回路便是沿着黑色电缆输出，然后经由白色电缆返回。黑色电缆的220/110 VAC电压值指的就是参考白色电缆而得。（美国标准）
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机箱地（chassis ground）指的是一些用来封装电气设备的金属外壳。机箱可以选择性接地，由机箱是否连接到电力线中绿色地线来决定。如电气设备的任何部分因故障短路，机箱可以将电流导入地面而不会使接触它的人触电。也可以将信号负端连接到机箱上，以机箱为参考电位。很多设备允许使用者选择是否将信号以机箱地为参考进行链接。
关于AISENSE
National Instruments 数据采集（DAQ）设备根据不同的应用有不同的接地点：模拟输入地( AIGND )、模拟输出地( AOGND )和数字地( DGND )。他们全都连接到板卡本身的同一参考点，但是他们在板卡上有不同的电路层，可以减少噪声和串扰。数字地特别容易混入噪声，因为数字信号中含有高频成分。 另外在使用National Instruments模拟输入DAQ设备以无参考单端(NRSE)模式进行量测时，很容易因为AISENSE这一个接点感到困惑。其实 AISENSE 的设计是用来做为所有单端模拟输入频道的共同参考点。 然而，它并不是接地点；它是浮地的，与AIGND，AOGND，和DGND不同。
接地小结
二、硬件与软件定时
可以使用硬件定时与软件定时控制采集或产生信号的时间。当使用硬件定时时，设备上的时钟可以控制速率。当使用软件定时时，软件而不是测量设备可以确定采集或产生信号的速率。与软件循环相比硬件时钟更快。
注：一些设备不支持硬件定时。查询该设备文件以确定该设备是否支持硬件定时。
三、采样速率与混叠
- 影响模拟输入和输出测量系统最重要因素之一是测量设备对输入信号和产生输出信号的采样速率。在NI-DAQmx中，扫描速率或采集速率决定了A/D、D/A转换的频率。快速的输入采样速率能够在一定的时间内采集更多的点，并且能够比慢速采样更好地表示原信号。
- 采样速率太慢会导致信号混叠，混叠是对模拟信号的一种错误表现。低速率采样会导致信号似乎以不同的速率出现，为了避免信号混叠，应当以高于信号频率的速率采样。
- 对于频率测量，根据奈奎斯特定律，为了更精确地表现信号，应当以所采集的信号中最大频率的两倍以上的速率采集信号。对于一个给定的采样速率，奈奎斯特频率是在不产生混叠的情况下你能表示的最大频率，所以采样速率应当是奈奎斯特频率的两倍。
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大于奈奎斯特频率的信号部分会在直流信号和奈奎斯特频率之间出现混叠情况。信号混叠的频率是输入信号频率与采样速率整数倍之差的绝对值。例如，假设采样频率为100HZ，输入信号分别25Hz、70Hz、160Hz和510Hz，
未发生混叠的奈奎斯特频率
- 则在奈奎斯特频率（fs/2=50Hz）以下的频率是采样的准确频率，如图所示。在奈奎斯特频率以上的频率可能会出现混叠情况。例如，F1(25Hz)为准确值，但F2(70Hz)、F3(160)、F4(510Hz)已分别在30Hz、40Hz和10Hz处混叠。
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用下列等式计算混叠频率：
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混叠频率=ABS（ 最近的整数倍采样频率－ 输入频率 ）
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ABS意思为绝对值。例如：
混叠F2=｜100-70 ｜=30Hz
混叠F3=｜2*100-160｜=40 Hz
混叠F4=｜5*100-510｜=10 Hz
采样速率的决定因素
你可能想要在测量设备上用最大速率采样，但如果采样速率太快以至于超过信号周期，则可能得不到充分的存储区或硬盘空间以保持数据。下图显示了各种采集速率的效果。
例A 以同样的速率fs采集频率为f的正弦波。这个采样导致了以直流形式出现的失真。
但若你增加到2fs，跟原始数字波形一样有了固定的频率或相同的周期，但显示为三角波如B。由此可知，增加采集速率至大于fs,则能更准确地产生波形。
在例C中，其样本速率是4/3fs，因为在这种情况下奈奎斯特频率小于fs，这个速率会产生一个频率和形状均不准确的失真波形图。
四、触发（TRIGGERING）
- 触发是促使一个测量（如开始采集数据动作）发生的信号。如果想要设定测量在某个固定的时间开始，可以使用触发去实现。例如，假定要测试电路板对脉冲输入的反应，就可以使这个脉冲输入作为一个触发去控制测量设备开始采集样本。如果你不使用触发，那么就应当在测试之前开始采集数据。
- 设置一个触发时应当确定两个方面——需要触发完成什么样的动作和怎样产生触发。
- 如果需要触发实现开始测量动作，应使用开始触发（START TRIGGER）。如果需要在触发发生之前采集数据，则应使用参考触发（REFERENCE TRIGGER），也称为停止触发(STOP TRIGGER)，去在触发点前后获取信号样本，这些触发点是在样本中的参考位置。
- 如果需要额外具体指定想要触发实现的动作，就需要确定触发的来源。如果触发源是一个模拟信号，则应当使用模拟边沿触发或模拟窗口触发。如果这个触发信号是数字型的，则可以使用带有PFI针的数字边沿触发作为触发源。
（1）模拟边沿触发
当模拟信号遇到你具体指定的一种情况如信号电平或斜率上升或下降沿时，模拟边沿触发便产生了。当测量设备识别这个触发情况时，设备便执行与触发相联系的测量，如开始测量或标记下触发发生时采集样本的情况。如图，对于一个上升边沿信号当信号到达3.2时触发开始捕获数据。
（2）模拟窗口触发
当一个模拟信号进入或离开一个差动电平为2V的窗口时,一个模拟窗口触发便产生了。通过设置窗口的最大值和最小值指定电平。
（3）数字边沿触发
一个数字边沿触发通常是一个TTL信号,它有2个离散的电平：高电平和低电平。当信号从高电平向低电平传送时一个数字信号便产生一个下降沿, 而当信号从低电平向高电平传送时便产生一个上升沿,在数字信号上升或下降的基础上便可以产生开始触发或参考触发。图4-18中是从数字触发信号处于下降沿时采集开始的。你也可以借助于NI测量设备把一个数字触发信号连接到PFI端上。
五、信号分析
- 信号分析是把一个采集到的信号转化成关于这个信号的准确信息、滤波、并用一个更容易理解的形式描述原始波的过程。
- 滤波和加窗技术是两个信号检测技术。
（1）滤波
滤波是最常见的用于信号处理的技术之一。信号调理系统可以滤除所测到的不需要的信号或来自信号的噪声。使用一个对低速率或缓慢变化的信号如温度起作用的噪声过滤器可以清除能降低信号精度的高频信号。滤波器最一般的用途是清除50或60Hz交流信号的噪声。低通滤波器可以清除在中止频率以上的所有信号频率部分。许多信号调理模块都有低通滤波器，它有从10Hz到25Hz软件设置截止频率。
（2）使用开窗术或平滑窗口技术，可以使与波形缩短相关的频谱泄漏降低到最少。
加窗处理中的频谱泄漏
频谱泄漏是一种测量频谱能量出现从一个频率到其他频率泄漏的现象。当采集到的信号在采集时间内不是完整的循环周期时，泄漏便出现了。用来减少频谱泄漏的技术借助窗口函数可以增加时域波形。
DFT（离散傅立叶变换）和FFT（快速傅立叶变换）是把给定的信号分解成一些正弦或余弦的数学方法，它是频谱分析的基础。当你采集一个非整数的周期，例如7.5个周期时用DFT/FFT可以返回一个频谱，在这个频谱里一个频率的能量似乎泄漏到其它所有频率中，因为FFT假定这个数据是一个周期性重复信号的单个周期。这些人为的不连续性有着很高的频率以至于它没有出现在原始信号中。因为这些频率高于奈奎斯特频率，所以它们在0-fs/2间混叠。
常见的窗口类型
六、校准
- 校准包括核实测量设备的准确性和调整测量中的误差。核实内容包括测量设备的工作情况并把这些测量结果与原厂说明进行对比。进行校准时，你应当用外部设备标准去提供并标明电平，并且校正设备校准常数。设备把新的校准常数存储在EEPROM里，并把来自存储库中的校准常数作为被需要的标准去校正设备进行测量时出现的误差。校准包括两种形式：外部和内部（也叫自主校准）
- 外部校准：由上级度量实验室标准给定的外部校准要求使用高精度的电压源去核对并校正校准常数。这个程序描述了在EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）中的所有校准常数并且与原厂校准是等价的。因为外部校准程序改变了所有的EEPROM常数，所以这使最初的NIST（一个美国政府协助制定标准的组织）起源证明无效。如果一个外部校准是由公认的NIST电压源执行的，那么一个新的NIST证明就会颁布发行。
- 内部校准 ：内部校准，也叫自主校准，可以用一个软件控制并且要求不与外部设备连接。自主校准调节设备以使其能在多变的外部环境下使用，如温度影响，这些环境可能是与设备进行外部校准时的环境有差别的。
