数据采集及数据采集系统学习教案.pptx

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1、会计学1数据采集数据采集(cij)及数据采集及数据采集(cij)系系统统第一页，共89页。引引 言言 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(guchng)，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。第1页/共89页第二页，共89页。4.1 4.1 数据数据数据数据(shj)(shj)采集（采集（采集（采集（DAQDAQ）及数据）及数据）及数据）及数据(shj)(shj)采集系统（采集系统（采集系统（采集系统（DASDAS）4 4.1 1.1 1 数数据据采采集集的的基基本本概概念念 “数数据据采采集集”（DDa at ta

2、a A Ac cq qu ui is si it ti io on n,DDA AQQ）是是指指将将模模拟拟量量（模模拟拟信信号号）采采集集、转转换换成成数数字字量量（数数字字信信号号）后后，再再由由计计算算机机进进行行存存储储、处处理理、显显示示或或输输出出的的过过程程。用用于于数数据据采采集集的的成成套套设设备备称称为为数数据据采采集集系系统统（DDa at ta a A Ac cq qu ui is si it ti io on n S Sy ys st te emm,DDA AS S）。数数据据采采集集是是计计算算机机与与外外部部世世界界联联系系的的桥桥梁梁，是是获获取取信信息息的的重

3、重要要途途径径。数数据据采采集集技技术术是是信信息息科科学学的的重重要要组组成成部部分分，已已广广泛泛应应用用于于国国民民经经济济(g gu u mm n nj j n ng gj j)和和国国防防建建设设的的各各个个领领域域，并并且且随随着着科科学学技技术术的的发发展展，尤尤其其是是计计算算机机技技术术的的发发展展与与普普及及，数数据据采采集集技技术术将将有有广广阔阔的的发发展展前前景景。第2页/共89页第三页，共89页。4.1.2 数据采集系统基本组成(z chn)的基本组成(z chn)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(z chn

4、)示意图第3页/共89页第四页，共89页。DASDAS的基本结构图表示的基本结构图表示(bi(bi osh)osh)如下如下第4页/共89页第五页，共89页。4.1.3 数据采集系统(xtng)的主要性能指标 （1）系统(xtng)分辨率下表列出了满度值为10V时数据采集系统(xtng)的分辨率。（2）系统(xtng)精度 （3）采集速率位位 数数级数级数1 LSB1 LSB（满度值的百分数）（满度值的百分数）1 LSB1 LSB（10V10V满度）满度）8 82562560.391%0.391%39.1mV39.1mV1212409640960.0244%0.0244%2.44mV2.44m

5、V161665536655360.0015%0.0015%0.15mV0.15mV2020104857610485760.000095%0.000095%9.539.53 V V242416777216167772160.0000060%0.0000060%0.600.60 V V第5页/共89页第六页，共89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(boh)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

6、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，则有第6页/共89页第七页，共89页。（5）非线性失真 谐波失真系统用来衡量(hng ling)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。第7页/共89页第八页，共89页。4.2 信号获取与信号调理信号获取与信号调理(tio l)技术技术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(byo)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、

7、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第8页/共89页第九页，共89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(shz)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，易受干扰第9页/共89页第十页，共89页。4.2.2 4.2.2 采集信号调理的主要功能采集信号调理的主要功能1 1、被采集信号的特点、被采集信号的特点传感器感应物理现象并生成传感器感应

8、物理现象并生成(shn(shn chn chn)与被检测的物理量成比例的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。率等四类信号。2 2、信号调理功能、信号调理功能 信号调理功能主要有：信号调理功能主要有：1 1）放大功能）放大功能2 2）隔离功能）隔离功能3 3）多路复用功能）多路复用功能4 4）滤波功能）滤波功能5 5）激励功能）激励功能6 6）线性化功能）线性化功能第10页/共89页第十一页，共89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

9、术参数如下(rxi)：（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）电源电压范围第11页/共89页第十二页，共89页。4.2.4 测量放大电路(dinl)1测量放大器电路(dinl)原理测量测量测量测量(cling)(cling)放大器原放大器原放大器原放大器原理电路理电路理电路理电路第12页/共89页第十三页，共89页。测量放大器的增益由下列公式(gngsh)来确定第13页/共89页第十四页，共89页。从而从而(cng r)(cng r)测量放大器输出电压为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，测量放大器为了提高测

10、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，一般取的电路结构采用对称行式，一般取 ，可得增益表达式为，可得增益表达式为 很显然，调节很显然，调节RgRg可以很方便地改变测量放大器的增益大小。可以很方便地改变测量放大器的增益大小。第14页/共89页第十五页，共89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(xi mian)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）电源引起的失调第15页/共89页第十六页，共89页。4.2.5 4.2.5 模拟量（激励信号）输出模拟量（激励信号）输出 1.D/A

11、1.D/A转换转换(zhu(zhu nhun)nhun)原理原理根据叠加原理，根据叠加原理，DD为任意数时四位为任意数时四位D/AD/A转换转换(zhu(zhu nhun)nhun)器的总输出电器的总输出电压压R-2RR-2RR-2RR-2R梯形梯形梯形梯形(txng)(txng)(txng)(txng)网络网络网络网络D/AD/AD/AD/A转换器原理转换器原理转换器原理转换器原理第16页/共89页第十七页，共89页。2D/A转换器的主要技术指标1）分辨率 2）转换精度(jn d)3）转换时间 4）尖峰误差D/AD/AD/AD/A转换器尖峰转换器尖峰转换器尖峰转换器尖峰(jin fn)(ji

12、n fn)(jin fn)(jin fn)误差及消峰原理误差及消峰原理误差及消峰原理误差及消峰原理第17页/共89页第十八页，共89页。3D/A转换电路输入(shr)与输出形式1）输入(shr)方式2）输出方式 输出输入(shr)关系式为D/AD/AD/AD/A转换器单极性输出转换器单极性输出转换器单极性输出转换器单极性输出(shch)(shch)(shch)(shch)电路电路电路电路第18页/共89页第十九页，共89页。D/A芯片(xn pin)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/AD/AD/AD/A转换器双极性输出转换器双极性输出转换器双极性输出转换器双极性输出(

13、shch)(shch)(shch)(shch)电路电路电路电路第19页/共89页第二十页，共89页。4.3 采样采样(ci yn)保持与保持与A/D转转换技术换技术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(yngxing)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，式中，式中，式中，为为为为A/DA/DA/DA/D转换器的满度值，转换器的满度值，转换器的满度值，转换器的满度值，tctct

14、ctc为转换时间为转换时间为转换时间为转换时间(shjin)(shjin)(shjin)(shjin)，为输入为输入为输入为输入信号，假定信号，假定信号，假定信号，假定 ，且，且，且，且 ，则有：，则有：，则有：，则有：第20页/共89页第二十一页，共89页。2采样保持(boch)器的组成原理 采样保持(boch)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(boch)不变。采样保持(boch)器有两种工作方式，即采样方式和保持(boch)方式。在采样方式下，采样保持(boch)器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持(boch)方式下，采样保持(boch)器的输出将保持(boch)

15、采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持(boch)命令撤销为止。其原理如图所示采样保持器电路采样保持器电路采样保持器电路采样保持器电路(dinl)(dinl)(dinl)(dinl)原理原理原理原理第21页/共89页第二十二页，共89页。3 3采样保持器的主要性能指标采样保持器的主要性能指标 主要性能指标如下主要性能指标如下（1 1）捕获时间）捕获时间tAC tAC （2 2）孔径）孔径(k(k ngjng)ngjng)时间时间tAPtAP（3 3）保持建立时间）保持建立时间tHS tHS （4 4）孔径）孔径(k(k ngjng)ngjng)抖动抖动 （5 5）衰减率）衰减率 采样采样采样采

16、样(ci yn)(ci yn)(ci yn)(ci yn)保持器的动态特性保持器的动态特性保持器的动态特性保持器的动态特性第22页/共89页第二十三页，共89页。4.3.2 A/D转换器的分类(fn li)和指标1A/D转换器分类(fn li)分类方式分类方式类类 型型按器件工艺结构按器件工艺结构1.1.组件型组件型A/DA/D转换器转换器2.2.混合（集成）电路混合（集成）电路A/DA/D转换器转换器3.3.单片式单片式A/DA/D转换器转换器 （1 1）双极型（）双极型（2 2）MOSMOS型（型（3 3）双极）双极-MOS-MOS型型按转换器工作原理按转换器工作原理1.1.间接型间接型A

17、/DA/D转换器转换器（1 1）积分型（电压）积分型（电压-时间变换型）时间变换型）A/DA/D转换器转换器（2 2）电压）电压-频率变换型频率变换型A/DA/D转换器（转换器（V-FV-F变换器）变换器）2.2.比较型（直接型）比较型（直接型）A/DA/D转换器转换器（1 1）反馈比较型）反馈比较型（2 2）无反馈比较型）无反馈比较型3.3.型型A/DA/D转换器转换器按转换器精度按转换器精度1.1.低精度（低精度（8 8位及位及8 8位以下）位以下）2.2.中精度（中精度（912912位）位）3.3.高精度（高精度（13161316位）位）4.4.超高精度（超高精度（1616位以上）位以上

18、）按转换速率按转换速率1.1.低速（低速（1ms1ms）2.2.中速（中速（1ms1ms 1 1 s s）3.3.高速（高速（1 1 s s 0.010.01 s s）4.4.超高速（超高速（0.010.01 s s）第23页/共89页第二十四页，共89页。表表4-34-3列出了列出了6 6种常用种常用(chn(chn yn yn)的的A/DA/D转换器比较转换器比较类类 型型并联比较式并联比较式分级型分级型逐次逼近式逐次逼近式型型积分式积分式V/FV/F型型主要特点主要特点超高速超高速高速高速速度精度价格速度精度价格等等综合性价比较综合性价比较高高高分辨率高分辨率高精度高精度高精度，低高精度

19、，低成本成本高抗干扰能高抗干扰能力力低成本低成本高分辨率高分辨率分辨率分辨率（位）（位）6106108168168168161624162412161216816816转换时间转换时间几十几十nsns几十几十 几百几百nsns几几 几十几十 s s几几 几十几十msms几十几十 几百几百msms几十几十 几百几百msms采样频率采样频率几十几十MS/sMS/s几几MS/sMS/s几十几十 几百几百kS/skS/s几十几十kS/skS/s几几 几十几十S/sS/s几几 几十几十S/sS/s价价 格格高高高高中中中中低低低低主要用途主要用途超高超超高超视频处理视频处理视频处理视频处理高速数据采高速

20、数据采集集数据采集数据采集工业控制工业控制音频处理音频处理数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器简易简易A/DA/D第24页/共89页第二十五页，共89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(zhling)水平。1）分辨率与量化误差A/DA/D转换器的量化误差转换器的量化误差转换器的量化误差转换器的量化误差(wch)(wch)第25页/共89页第二十六页，共89页。2）转换(zhunhun)精度第26页/共89页第二十七页，共89页。3 3）转换速率）转换速率转换速率是指转换速率是指A/DA/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个转换器在每秒钟内所能完成的转换

21、次数。这个指标也可表述为转换时间，即指标也可表述为转换时间，即A/DA/D转换从启动到结束所需的转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数时间，两者互为倒数(d(d o sh)o sh)。例如，某。例如，某A/DA/D转换器的转换速转换器的转换速率为率为10MHz10MHz，则其转换时间是，则其转换时间是100ns100ns。转换速度是一项重要的。转换速度是一项重要的技术指标，速度越高价格越贵。技术指标，速度越高价格越贵。4 4）满刻度范围）满刻度范围满刻度范围是指满刻度范围是指A/DA/D转换器所允许最大的输入电压范围。满刻度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，实际的值只是个

22、名义值，实际的A/DA/D转换器的最大输入电压值总比转换器的最大输入电压值总比满刻度值小满刻度值小1/2n1/2n（n n为转换器的位数）。这是因为为转换器的位数）。这是因为0 0值也是值也是2n2n个转换状态中的一个。例如个转换状态中的一个。例如1212位的位的A/DA/D转换器，其满刻度值转换器，其满刻度值为为10V10V，而实际允许的最大输入电压值为，而实际允许的最大输入电压值为 第27页/共89页第二十八页，共89页。4.3.3 4.3.3 高速高速A/DA/D转换器的原理转换器的原理 目前高速目前高速ADCADC主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种类型，主要有逐次逼近式、并行式和分

23、级式等几种类型，现简介如下。现简介如下。1 1逐次逼近式逐次逼近式ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式ADCADC是目前应用最普遍是目前应用最普遍(p(p bin)bin)的一种的一种ADCADC，其电路，其电路结构简单。结构简单。第28页/共89页第二十九页，共89页。2 2并行并行(bngxng)(bngxng)（或称闪烁）式（或称闪烁）式ADCADC并行并行(bngxng)(bngxng)（或称闪烁）式（或称闪烁）式ADCADC是一种转换速率最快的是一种转换速率最快的ADCADC第29页/共89页第三十页，共89页。3 3分级式分级式ADCADC 将两个或多个较低分辨率的闪烁式将两个或多个

24、较低分辨率的闪烁式ADCADC组合起来，构成一个组合起来，构成一个高分辨率的高分辨率的ADCADC是能够实现是能够实现(shxin)(shxin)的，这就是目前流行的分的，这就是目前流行的分级式级式ADCADC，又称流水线或多级式，又称流水线或多级式ADCADC（subranging,pipelined,subranging,pipelined,multi-stage or multistep ADCmulti-stage or multistep ADC）。）。分级分级分级分级(fn j)(fn j)式式式式ADCADC结构框图结构框图结构框图结构框图第30页/共89页第三十一页，共89页。

25、AD9220/AD9221/AD9223AD9220/AD9221/AD9223的的1212位流水线型位流水线型A/DA/D转换器结构转换器结构(jigu)(jigu)框图框图第31页/共89页第三十二页，共89页。4.4 数据存储数据存储(cn ch)与数据传与数据传输技术输技术4 4.4 4.1 1 A ADDC C与与C CP PU U直直接接(z zh h j ji i)数数据据传传输输1 1程程序序控控制制的的数数据据传传输输方方式式2 2DDMMA A控控制制的的数数据据传传输输方方式式第32页/共89页第三十三页，共89页。4.4.2 基于高速数据缓存技术(jsh)的数据传输方式

26、 1基于双口RAM的高速数据缓存方式第33页/共89页第三十四页，共89页。2 2基于基于FIFOFIFO的高速数据的高速数据(shj)(shj)缓存方式缓存方式 FIFO FIFO（First In First OutFirst In First Out）是先进先出存储器，其特点是：同）是先进先出存储器，其特点是：同一存储器配备有两个数据一存储器配备有两个数据(shj)(shj)端口，一个是输入端口，只负端口，一个是输入端口，只负责数据责数据(shj)(shj)的写入；另一个是输出端口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据(shj)(shj)的输出。的输出。IDT 72251 ID

27、T 72251是一个是一个8KB98KB9的的FIFOFIFO存储器存储器第34页/共89页第三十五页，共89页。4.5 PCI总线总线(zn xin)及其接口及其接口技术技术4.5.1 4.5.1 基于基于PCIPCI总线数据采集卡总体设计方案总线数据采集卡总体设计方案 整个系统整个系统(xt(xt ng)ng)分成以下四大模块：分成以下四大模块：（1 1）信号调理模块。）信号调理模块。（2 2）高速）高速ADAD转换模块。转换模块。（3 3）PCIPCI总线接口模块。总线接口模块。（4 4）CPLDCPLD时序控制模块。时序控制模块。第35页/共89页第三十六页，共89页。4.5.2 PC

28、I总线概述1PCI总线特点 PCI局部总线具有(jyu)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，适合于各种机型第36页/共89页第三十七页，共89页。2PCI总线(zn xin)系统结构 PCI PCI系统结构原理系统结构原理系统结构原理系统结构原理(yunl)(yunl)框图框图框图框图第37页/共89页第三十八页，共89页。3PCI总线信号(xnho)定义C/BE#3C/BE#3C/BE#2C/BE#2C/BE#C/BE#11C/BE#C/BE#00命令类命令类型型0 00 00 00 0中断响中断响应应0 00 00 01

29、1特殊周特殊周期期0 00 01 10 0I/OI/O读读0 00 01 11 1I/OI/O写写0 01 11 10 0内存读内存读0 01 11 11 1内存写内存写1 10 01 10 0配置读配置读1 10 01 11 1配置写配置写1 11 10 00 0内存重内存重复读复读1 11 10 01 1双周期双周期1 11 11 10 0高速缓高速缓存读存读1 11 11 11 1高速缓高速缓存写存写PCIPCI总线总线总线总线(zn xin)(zn xin)操作命令表操作命令表操作命令表操作命令表PCIPCI局部局部局部局部(jb)(jb)总线信号总线信号总线信号总线信号第38页/共8

30、9页第三十九页，共89页。4.5.3 PCI总线接口设计1总线接口方案选择 PCI接口设计和ISA等I/O接口设计有着完全不同的设计思想。PCI总线设备需要通过桥路控制器将PCI总线协议转换成本地总线协议，设计相对复杂。大致有以下三种实现方法(fngf)：（1）采用普通FPGA实现（2）CPLD+集成总线控制器（3）采用特殊FPGA实现第39页/共89页第四十页，共89页。2PCI9054简介 PCI9054的主要功能特点如下：（1）符合规范，是一种新型的32位、33MHz总线(zn xin)主控接口控制器（2）采用通用总线(zn xin)主控接口（3）有32位多路复用或非多路复用本地局部总线

31、(zn xin)（5）支持PCI双地址周期（DAC）（4）与电源管理规范兼容第40页/共89页第四十一页，共89页。3PCI接口电路设计 基于(jy)PCI9054的PCI总线接口电路形式比较简单。原理框图如图所示。PCIPCI接口接口接口接口(ji ku)(ji ku)设计原理图设计原理图设计原理图设计原理图第41页/共89页第四十二页，共89页。PCI9054 PCI9054的本地总线仲裁信号包括的本地总线仲裁信号包括(boku)(boku)：LHOLD LHOLD、LHOLDALHOLDA、ADS#ADS#、BLAST#BLAST#和和READY#READY#。应答握手信号。应答握手信号

32、LHOLDLHOLD和和LHOLDALHOLDA直接相连。直接相连。ADS#ADS#、BLAST#BLAST#和和READY#READY#与与CPLDCPLD实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。本地本地本地本地(bnd)(bnd)仲裁逻辑图仲裁逻辑图仲裁逻辑图仲裁逻辑图第42页/共89页第四十三页，共89页。4 4PCIPCI配置空间的实现配置空间的实现（1 1）配置空间简介）配置空间简介 头域空间的组织头域空间的组织(z(z zh)zh)结构如表所示结构如表所示设备设备IDID厂商厂商IDID00H00H状态状态命令命令04H04H类型码类型码版本版本IDID

33、08H08HDISTDIST头域类型头域类型延时计数器延时计数器CatchCatch行行0CH0CH基地址寄存器基地址寄存器10H10H保留保留28H28H保留保留2CH2CH扩展扩展ROMROM基地寄存器基地寄存器30H30H保留保留34H34H保留保留38H38HMax-Max-LatencyLatencyMin-Min-LatencyLatency中断引脚中断引脚中断线中断线3CH3CH头域空间的组织头域空间的组织头域空间的组织头域空间的组织(zzh)(zzh)结构结构结构结构第43页/共89页第四十四页，共89页。（2 2）配置寄存器的访问）配置寄存器的访问 配置空间的访问可以采用两种

34、方式：一种是采用配置空间的访问可以采用两种方式：一种是采用BIOSBIOS访问，第二种是访问，第二种是采用采用I/OI/O口访问，口访问，I/OI/O访问比较简单。访问比较简单。PLX PLX公司提供的公司提供的PLXMONPLXMON软件软件(ru(ru n jin)n jin)可对设备卡进行调试，该软件可对设备卡进行调试，该软件(ru(ru n jin)n jin)可以访问设备卡的可以访问设备卡的配置空间。在这个基础之上又在配置空间。在这个基础之上又在Windows98Windows98下采用下采用C C语言写了一段小程语言写了一段小程序对配置空间进行了访问，参考程序代码如下：序对配置空间

35、进行了访问，参考程序代码如下：#include#include#include#include Void main()Void main()unsingned long data,address;unsingned long data,address;Address=0 x 80000000+9*8*0 x100;Address=0 x 80000000+9*8*0 x100;/插槽号为插槽号为9 9_outpd(0 xocf8,address);_outpd(0 xocf8,address);Data=_inpd(0 x0cfc);Data=_inpd(0 x0cfc);第44页/共89页第

36、四十五页，共89页。Printf(%x”,data);Printf(%x”,data);Address=0 x80000004+9*8*0 x100;/Address=0 x80000004+9*8*0 x100;/访问访问(f(f ngwn)ngwn)第二个寄存器第二个寄存器_outpd(0 x0cf8,address);_outpd(0 x0cf8,address);Data=_inpd(0 x0cfc);Data=_inpd(0 x0cfc);printf(“%x”,data);printf(“%x”,data);第45页/共89页第四十六页，共89页。4.6 多通道的组建多通道的组建(

37、z jin)方案方案4 4.6 6.1 1 不不带带采采样样/保保持持器器的的A A/DD转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)通通道道 模模拟拟输输入入信信号号的的最最大大变变化化率率与与A A/DD转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)器器的的转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)速速率率有有如如下下关关系系：式式中中：t ts sA A/DD转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)器器的的转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)时时间间；U UF FS SA A/DD转转换换(z zh hu

38、u n nh hu u n n)器器的的满满量量程程电电压压；n nA A/DD转转换换(z zh hu u n nh hu u n n)器器的的位位数数。第46页/共89页第四十七页，共89页。对于对于(duy)(duy)正弦输入信号正弦输入信号 ，模拟信号电压的最大变化率，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，则发生在正弦信号过零时，则 可得可得第47页/共89页第四十八页，共89页。4.6.2 4.6.2 带采样带采样/保持器的保持器的A/DA/D转换通道转换通道 当模拟输入信号变化率较大当模拟输入信号变化率较大(jio d)(jio d)时，时，A/DA/D通道需要使用采样通道

39、需要使用采样/保持保持器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样/保持器的孔径时间保持器的孔径时间 tAP tAP，用，用 tAP tAP代替代替 tC tC，其关系为，其关系为 如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则模拟输如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性，即孔径不确定度入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性，即孔径不确定度 可由下式决定可由下式决定第48页/共89页第四十九页，共89页。【例【例4 41 1】采样频率采样频率 。问采样频率。问采样频率 是否太高？

40、是否太高？解解 因为因为所以所以 不高。但是，当不高。但是，当 =100MHz =100MHz 时，若其它值不变，则时，若其它值不变，则 这时这时 太高了，不能保证整个太高了，不能保证整个A/DA/D转换正常进行，所以并不转换正常进行，所以并不是只要有采样是只要有采样/保持器，采样频率就可以不受限制，而是仍然保持器，采样频率就可以不受限制，而是仍然(rngrn)(rngrn)存在最高采样频率的限制。存在最高采样频率的限制。第49页/共89页第五十页，共89页。带采样带采样/保持保持(b(b och)och)器的器的A/DA/D通道的形式有以下几种。通道的形式有以下几种。1 1多通道共享采样多通

41、道共享采样/保持保持(b(b och)och)与与A/DA/D转换器转换器多路通道共享采样多路通道共享采样多路通道共享采样多路通道共享采样(ci yn)/(ci yn)/保持与保持与保持与保持与A/DA/D转换器转换器转换器转换器第50页/共89页第五十一页，共89页。【例【例4 42 2】设数据采集系统为设数据采集系统为8 8路巡回路巡回(xnhu)(xnhu)采集，采集，A/DA/D转换转换器的位数为器的位数为8 8位，信号幅值位，信号幅值 Um=UFS,Um=UFS,，孔径不定，孔径不定 解解 可得可得 而根据孔径误差(wch)确定的信号上限频率为 由于(yuy)信号的上限频率取决于每路

42、信号的吞吐时间，而非孔径误差。第51页/共89页第五十二页，共89页。2多通道共享A/D转换器多通道共享多通道共享多通道共享多通道共享A/DA/D转换器转换器转换器转换器第52页/共89页第五十三页，共89页。3多通道并行(bngxng)A/D转换 下图为多通道并行(bngxng)A/D转换的系统框图。第53页/共89页第五十四页，共89页。4.7 多功能数据采集卡典型多功能数据采集卡典型(dinxng)实例分析实例分析4 4.7 7.1 1 多多功功能能数数据据1 1、板板卡卡的的测测量量功功能能 多多功功能能DDA AQQ板板卡卡通通常常包包括括模模拟拟量量输输入入、模模拟拟量量输输出出，

43、数数字字I I/OO、定定时时/计计数数(j j s sh h)以以及及触触发发等等多多种种测测量量功功能能。1 1）信信号号采采集集（模模拟拟量量输输入入）2 2）信信号号产产生生（模模拟拟量量输输出出）3 3）计计数数(j j s sh h)与与定定时时4 4）数数字字I I/OO 5 5）触触发发第54页/共89页第五十五页，共89页。2、板卡的通信功能(gngnng)1)板卡与计算机的连接总线（1）内插式DAQ板卡（2）外挂式DAQ板卡2)板卡与被测对象连接的输入信号线 DAQ板卡的模拟信号输入模式有单端和差分两种，其作用和连接方式是不同的。（1）单端电压信号输入（2）差模电压信号输入

44、第55页/共89页第五十六页，共89页。3、对板卡的基本要求 根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素：1)输入信号的特性2)对输入通道(tngdo)性能的要求 输入通道(tngdo)的主要技术指标有：（1）通道(tngdo)的通过速率（2）通道(tngdo)的分辨率（3）通道(tngdo)的精度3)接口特性第56页/共89页第五十七页，共89页。4.7.2 PCI-1200的组成原理(yunl)及技术性能1、PCI-1200卡的组成原理(yunl)1）PCI-1200卡的组成原理(yunl)框图 第57页/共89页第五十八页，共89页。2)I/O2)I/O连接器连接器PCI-1200P

45、CI-1200卡通过卡通过I/OI/O连接器输入或输出连接器输入或输出(shch)(shch)模拟和数字信号，模拟和数字信号，I/OI/O连接器引脚分布如图所示。连接器引脚分布如图所示。第58页/共89页第五十九页，共89页。PCI-1200PCI-1200卡的卡的I/OI/O连接器引脚说明连接器引脚说明(shumng)(shumng)如表所示如表所示引脚引脚信号名信号名方向方向参考参考说说 明明1-81-8ACHACHAIAIAGNDAGNDA/DA/D通道通道模拟输入通道模拟输入通道0707。9 9AISENSE/AISENSE/AIGNDAIGNDI/OI/OAGNDAGND模拟输入传感

46、模拟输入传感/模拟输入地模拟输入地在在RSERSE模式中接模式中接AGNDAGND，在，在NRSENRSE模式中接模拟输入传感。模式中接模拟输入传感。1010DAC0OUTDAC0OUTAOAOAGNDAGNDD/AD/A通道通道模拟输出通道模拟输出通道0 0。1111AGNDAGNDN/AN/AN/AN/A模拟输出地模拟输出地模拟输出电压的参考地，差分测量中的偏模拟输出电压的参考地，差分测量中的偏置电流返回点。置电流返回点。1212DAC1OUTDAC1OUTAOAOAGNDAGNDD/AD/A通道通道模拟输出通道模拟输出通道1 1。1313，5050DGNDDGNDN/AN/AN/AN/A

47、数字地数字地数字信号和数字信号和+5V+5V电源的参考地。电源的参考地。14-2114-21PAPADIODIODGNDDGND数字数字I/OI/O端口端口端口端口A A的双向数据线，的双向数据线，A7A7至至A0A0。PA7PA7为高位，为高位，PA0PA0为低位。为低位。22-2922-29PBPBDIODIODGNDDGND数字数字I/OI/O端口端口端口端口B B的双向数据线，的双向数据线，B7B7至至B0B0。PB7PB7为高位，为高位，PB0PB0为低位。为低位。30-3730-37PCPCDIODIODGNDDGND数字数字I/OI/O端口端口端口端口C C的双向数据线，的双向数

48、据线，C7C7至至C0C0。PC7PC7为高位，为高位，PC0PC0为低位。为低位。3838EXTTRIGEXTTRIGDIDIDGNDDGND外部触发外部触发触发触发DAQDAQ操作的外部控制信号。操作的外部控制信号。3939EXTUPDATE*EXTUPDATE*DIDIDGNDDGND外部更新外部更新更新更新DAQDAQ输出的外部控制信号。输出的外部控制信号。第59页/共89页第六十页，共89页。4040EXTCONV*EXTCONV*DIODIODGNDDGND外部转换外部转换定时定时A/DA/D转换（转换（DIDI）和使用）和使用SCXISCXI时驱时驱动动SCANCLKSCANCL

49、K（DODO）的外部控制信号。）的外部控制信号。4141OUTB0OUTB0DODODGNDDGNDB0B0输出输出计数器计数器B0B0的数字输出信号。的数字输出信号。4242GATB0GATB0DIDIDGNDDGNDB0B0门控门控计数器计数器B0B0的门控外部控制信号。的门控外部控制信号。4343OUTB1OUTB1DIODIODGNDDGNDB1B1输出输出计数器计数器B1B1的数字输出信号，定时扫描间的数字输出信号，定时扫描间隔的外部控制信号。隔的外部控制信号。4444GATB1GATB1DIDIDGNDDGNDB1B1门控门控计数器计数器B1B1的门控外部控制信号。的门控外部控制信

50、号。4545CLKB1CLKB1DIDIDGNDDGNDB1B1时钟时钟计数器计数器B1B1的外部控制时钟信号。的外部控制时钟信号。4646OUTB2OUTB2DODODGNDDGNDB2B2输出输出计数器计数器B2B2的数字输出信号。的数字输出信号。4747GATB2GATB2DODODGNDDGNDB2B2门控门控计数器计数器B2B2的门控外部控制信号。的门控外部控制信号。4848CLKB2CLKB2DIDIDGNDDGNDB2B2时钟时钟计数器计数器B2B2的外部控制时钟信号。的外部控制时钟信号。4949+5V+5VDODODGNDDGND+5V+5V电压电压范围范围+4.65V+5.2