虚拟仪器技术

《虚拟仪器技术》第1页第4章DAQ虚拟仪器硬件技术引言4.1数据采集及数据采集系统4.2信号获取与信号调理技术4.3采样保持与A/D转换技术4.4数据存储与数据传输技术4.5PCI总线及其接口技术4.6多通道的组建方案4.7多功能数据采集卡典型实例分析《虚拟仪器技术》第2页引言DAQ虚拟仪器又称PC-DAQ仪器系统，其组成如下图所示。它由一台PC机和基于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。《虚拟仪器技术》第3页4.1数据采集（DAQ）及数据采集系统（DAS）4.1.1数据采集的基本概念“数据采集”（DataAcquisition,DAQ）是指将模拟量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）。数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。《虚拟仪器技术》第4页4.1.2数据采集系统基本组成1.DAS的基本组成数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图………………《虚拟仪器技术》第5页DAS的基本结构图表示如下《虚拟仪器技术》第6页4.1.3数据采集系统的主要性能指标（1）系统分辨率下表列出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率。（2）系统精度（3）采集速率位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（10V满度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53μV24167772160.0000060%0.60μV《虚拟仪器技术》第7页（4）动态范围数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数，即式中最大允许输出幅值Vimax是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。用I表示瞬时动态范围，则有maxmin20lgiiiVIVmaxmin20lgffAIA《虚拟仪器技术》第8页（5）非线性失真谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示式中A1——基波振幅；Ak——第k次谐波（频率为kf）的振幅。2223222123100%AAHAAA《虚拟仪器技术》第9页4.2信号获取与信号调理技术4.2.1信号获取方法和途径1．信号获取作为采集系统，为了获取被测对象的信息，需要拾取必要的原始参量信号。为此，首先要通过敏感元件、传感器将现场非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量转换成电量。1）通过敏感元件拾取被测信号2）通过传感器拾取被测信号3）通过接口直接拾取被测信号4）通过测量仪表拾取被测信号《虚拟仪器技术》第10页2．输入通道特点作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下特点：1）输入通道要靠近信号拾取对象2）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路3）输入通道电路设计与多种因素相关4）输入通道的环境无主观选择余地5）输入通道靠近现场，易受干扰《虚拟仪器技术》第11页4.2.2采集信号调理的主要功能1、被采集信号的特点传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号。传感器输出信号的类型，主要有电阻、电压、电流和频率等四类信号。2、信号调理功能信号调理功能主要有：1）放大功能2）隔离功能3）多路复用功能4）滤波功能5）激励功能6）线性化功能《虚拟仪器技术》第12页4.2.3模拟开关1．模拟开关的分类2．模拟开关的主要技术指标模拟开关的主要技术参数如下：（1）通道数量（2）泄漏电流IS（3）导道电阻Ron（4）导通电阻的平坦度（5）切换速度（6）电源电压范围《虚拟仪器技术》第13页4.2.4测量放大电路1．测量放大器电路原理测量放大器原理电路《虚拟仪器技术》第14页测量放大器的增益由下列公式来确定oo1o2oi1i2i1i2o1o2()()()UUUUGUUUUUU111oigUUIR222oigUUIR12iiggUUIR121212gooiigRRRUUUUR《虚拟仪器技术》第15页从而测量放大器输出电压为为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测量放大器的电路结构采用对称行式，一般取，可得增益表达式为很显然，调节Rg可以很方便地改变测量放大器的增益大小。6552146331oooRRRUUURRRR11212oiigURGUUR《虚拟仪器技术》第16页2．测量放大器主要技术指标测量放大器的主要技术指标有下面六个方面1）共模抑制比共模抑制比CMRR可表示为2）温度漂移3）非线性度4）建立时间5）恢复时间6）电源引起的失调ocicCMRR20lg(dB)UU《虚拟仪器技术》第17页4.2.5模拟量（激励信号）输出1.D/A转换原理根据叠加原理，D为任意数时四位D/A转换器的总输出电压R-2R梯形网络D/A转换器原理ROR41133161632UIURRUR3210O321044(2222)22RRUUUDDDDD《虚拟仪器技术》第18页2．D/A转换器的主要技术指标1）分辨率2）转换精度3）转换时间4）尖峰误差D/A转换器尖峰误差及消峰原理《虚拟仪器技术》第19页3．D/A转换电路输入与输出形式1）输入方式2）输出方式输出输入关系式为REFOUT82VUDD/A转换器单极性输出电路《虚拟仪器技术》第20页D/A芯片连接成双极性输出的电路图及数字量与模拟量的关系如下图所示D/A转换器双极性输出电路《虚拟仪器技术》第21页4.3采样保持与A/D转换技术4.3.1采样保持器1．采样保持的必要性在A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。假设输入信号是正弦波，而且要求对输入信号的瞬时值进行测量，为了使模拟信号变化产生的A/D转换误差小于A/D转换器分辨率的1/2，需要满足下式：式中，为A/D转换器的满度值，tc为转换时间，为输入信号，假定，且，则有：11222iFScnduUtLSBdtcntf221《虚拟仪器技术》第22页2．采样保持器的组成原理采样保持器（S/H）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。其原理如图所示直接型反馈型采样保持器电路原理《虚拟仪器技术》第23页3．采样保持器的主要性能指标主要性能指标如下（1）捕获时间tAC（2）孔径时间tAP（3）保持建立时间tHS（4）孔径抖动（5）衰减率采样保持器的动态特性《虚拟仪器技术》第24页4.3.2A/D转换器的分类和指标1．A/D转换器分类分类方式类型按器件工艺结构1.组件型A/D转换器2.混合（集成）电路A/D转换器3.单片式A/D转换器（1）双极型（2）MOS型（3）双极-MOS型按转换器工作原理1.间接型A/D转换器（1）积分型（电压-时间变换型）A/D转换器（2）电压-频率变换型A/D转换器（V-F变换器）2.比较型（直接型）A/D转换器（1）反馈比较型（2）无反馈比较型3.型A/D转换器按转换器精度1.低精度（8位及8位以下）2.中精度（9~12位）3.高精度（13~16位）4.超高精度（16位以上）按转换速率1.低速（≥1ms）2.中速（1ms≥1μs）3.高速（1μs≥0.01μs）4.超高速（＜0.01μs）《虚拟仪器技术》第25页表4-3列出了6种常用的A/D转换器比较类型并联比较式分级型逐次逼近式型积分式V/F型主要特点超高速高速速度精度价格等综合性价比较高高分辨率高精度高精度，低成本高抗干扰能力低成本高分辨率分辨率（位）6~108~168~1616~2412~168~16转换时间几十ns几十~几百ns几~几十μs几~几十ms几十~几百ms几十~几百ms采样频率几十MS/s几MS/s几十~几百kS/s几十kS/s几~几十S/s几~几十S/s价格高高中中低低主要用途超高超视频处理视频处理高速数据采集数据采集工业控制音频处理数字仪器数字仪器数字仪器简易A/D《虚拟仪器技术》第26页2．技术指标A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。1）分辨率与量化误差A/D转换器的量化误差《虚拟仪器技术》第27页2）转换精度《虚拟仪器技术》第28页3）转换速率转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器的转换速率为10MHz，则其转换时间是100ns。转换速度是一项重要的技术指标，速度越高价格越贵。4）满刻度范围满刻度范围是指A/D转换器所允许最大的输入电压范围。满刻度值只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入电压值总比满刻度值小1/2n（n为转换器的位数）。这是因为0值也是2n个转换状态中的一个。例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为409554.9988V4096《虚拟仪器技术》第29页4.3.3高速A/D转换器的原理目前高速ADC主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种类型，现简介如下。1．逐次逼近式ADC逐次逼近式ADC是目前应用最普遍的一种ADC，其电路结构简单。《虚拟仪器技术》第30页2．并行（或称闪烁）式ADC并行（或称闪烁）式ADC是一种转换速率最快的ADC《虚拟仪器技术》第31页3．分级式ADC将两个或多个较低分辨率的闪烁式ADC组合起来，构成一个高分辨率的ADC是能够实现的，这就是目前流行的分级式ADC，又称流水线或多级式ADC（subranging,pipelined,multi-stageormultistepADC）。分级式ADC结构框图《虚拟仪器技术》第32页AD9220/AD9221/AD9223的12位流水线型A/D转换器结构框图《虚拟仪器技术》第33页4.4数据存储与数据传输技术4.4.1ADC与CPU直接数据传输1．程序控制的数据传输方式2．DMA控制的数据传输方式《虚拟仪器技术》第34页4.4.2基于高速数据缓存技术的数据传输方式1．基于双口RAM的高速数据缓存方式《虚拟仪器技术》第35页2．基于FIFO的高速数据缓存方式FIFO（FirstInFirstOut）是先进先出存储器，其特点是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。IDT72251是一个8KB×9的FIFO存储器《虚拟仪器技术》第36页4.5PCI总线及其接口技术4.5.1基于PCI总线数据采集卡总体设计方案整个系统分成以下四大模块：（1）信号调理模块。（2）高速AD转换模块。（3）PCI总线接口模块。（4）CPLD时序控制模块。《虚拟仪器技术》第37页4.5.2PCI总线概述1．PCI总线特点PCI局部总线具有如下特点：（1）高性能（2）线性突发传输（3）采用总线主控和同步操作（4）不受处理器限制（5）兼容性强，适合于各种机型《虚拟仪器技术》第38页2．PCI总线系统结构PCI系统结构原理框图《虚拟仪器技术》第39页3．PCI总线信号定义C/BE#