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”. WKŁ, Warszawa, 2002.   
[2] R. G. Lyons. „Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów”. WKŁ, Warszawa 1999. 
[3] T. P. Zieliński. „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań”. WKŁ, 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 się 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 <AI0, AI4>, zaś kolejne kanały to pary <AI1, AI5>, <AI2, 
AI6>,  <AI3,  AI7>.  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

1 Sposób pod

 

dłączenia syggnałów do kaarty pomiaro

owej 

 

Bud

Na 

w  urząd
pomiare
praktycz

 

dowa system

rysunku  2 

dzeniach  po

em  częstotliw

zna schematu

Rysunek 

mu pomiarow

przedstawi

omiarowych 

wości  oraz  z 

u została um

2 Schemat p

Rysunek 3

wego 

iono  schem

umożliwiają
możliwością

mieszczona na

pomiarowy, 

3 Rzeczywist

 

at  pomiaro

ący  rejestra

ą  obserwacj

a rysunku 3.

karta skonfig

 

ta realizacja 

owy  uwzględ

cję  sygnału 
i  sygnału  na

gurowana do

schematu z 

dniający  sym

z  generato

a  ekranie  osc

o pracy trybie

rysunku 2. 

mbole  wyko

ora  z  jedno

cyloskopu.  R

e różnicowy

orzystane  

oczesnym 
Realizacja 

 

m. 

 

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 ikonę 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 klikając w ikonę 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: f

p

 = 1024 Hz, 

• liczbę rejestrowanych próbek: N = 1024, 
• tryb akwizycji: Continuous Samples 
• zakres pomiarowy: ±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)

(

)

1

150

2

sin

2

+

⋅

⋅

⋅

⋅

=

t

y

π

 , 

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: f

p

 = 1024 Hz, 

• liczbę rejestrowanych próbek:  N = 1024, 
• tryb akwizycji: Continuous Samples 
• zakres pomiarowy: ±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: f

p

 = 1024 Hz, 

• liczbę rejestrowanych próbek: N = 1024, 
• tryb akwizycji: Continuous Samples 
• zakres pomiarowy: ±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) ± 5 V 
c) ± 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    : 

(

)

(

)

3

600

2

sin

4

200

2

sin

2

)

(

+

⋅

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

⋅

=

t

t

t

x

π

π

 

 tak  aby  możliwa  byłaby  poprawna  rekonstrukcja  sygnału  analogowego?  Zakres  pomiarowy  należy 
dobrać z dostępnych trybów karty NI 6009.