虛擬儀器技術(shù).ppt

第4章DAQ虛擬儀器硬件技術(shù) 引言4 1數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 2信號獲取與信號調(diào)理技術(shù)4 3采樣保持與A D轉(zhuǎn)換技術(shù)4 4數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)4 5PCI總線及其接口技術(shù)4 6多通道的組建方案4 7多功能數(shù)據(jù)采集卡典型實例分析 引言 DAQ虛擬儀器又稱PC DAQ儀器系統(tǒng) 其組成如下圖所示 它由一臺PC機和基于標準總線的采集卡 儀器卡 構(gòu)成 同時還配備有儀器驅(qū)動軟件來支持硬件工作 4 1數(shù)據(jù)采集 DAQ 及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DAS 4 1 1數(shù)據(jù)采集的基本概念 數(shù)據(jù)采集 DataAcquisition DAQ 是指將模擬量 模擬信號 采集 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 數(shù)字信號 后 再由計算機進行存儲 處理 顯示或輸出的過程 用于數(shù)據(jù)采集的成套設備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DataAcquisitionSystem DAS 數(shù)據(jù)采集是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁 是獲取信息的重要途徑 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學的重要組成部分 已廣泛應用于國民經(jīng)濟和國防建設的各個領(lǐng)域 并且隨著科學技術(shù)的發(fā)展 尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展與普及 數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景 4 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成1 DAS的基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分 硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分 下圖是硬件基本組成示意圖 DAS的基本結(jié)構(gòu)圖表示如下 4 1 3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標 1 系統(tǒng)分辨率下表列出了滿度值為10V時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 2 系統(tǒng)精度 3 采集速率 4 動態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值Vimax與最小幅值Vimin之比的分貝數(shù) 即式中最大允許輸出幅值Vimax是指使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的放大器發(fā)生飽和或者是使模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)生溢出的最小輸入幅值 瞬時動態(tài)范圍是指某一時刻系統(tǒng)所能采集到的信號的不同頻率分量幅值之比的最大值 即幅度最大頻率分量的幅值Afmax與幅度最小頻率分量的幅值Afmin之比的分貝數(shù) 用I表示瞬時動態(tài)范圍 則有 5 非線性失真諧波失真系統(tǒng)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度 它通常用下式表示式中A1 基波振幅 Ak 第k次諧波 頻率為kf 的振幅 4 2信號獲取與信號調(diào)理技術(shù) 4 2 1信號獲取方法和途徑1 信號獲取作為采集系統(tǒng) 為了獲取被測對象的信息 需要拾取必要的原始參量信號 為此 首先要通過敏感元件 傳感器將現(xiàn)場非電參量 如壓力 溫度 速度 位移等物理量轉(zhuǎn)換成電量 1 通過敏感元件拾取被測信號2 通過傳感器拾取被測信號3 通過接口直接拾取被測信號4 通過測量儀表拾取被測信號 2 輸入通道特點作為信號獲取的門戶和通道 輸入通道具有以下特點 1 輸入通道要靠近信號拾取對象2 輸入通道常常是一個模擬和數(shù)字的混合電路3 輸入通道電路設計與多種因素相關(guān)4 輸入通道的環(huán)境無主觀選擇余地5 輸入通道靠近現(xiàn)場 易受干擾 4 2 2采集信號調(diào)理的主要功能1 被采集信號的特點傳感器感應物理現(xiàn)象并生成與被檢測的物理量成比例的電信號 傳感器輸出信號的類型 主要有電阻 電壓 電流和頻率等四類信號 2 信號調(diào)理功能信號調(diào)理功能主要有 1 放大功能2 隔離功能3 多路復用功能4 濾波功能5 激勵功能6 線性化功能 4 2 3模擬開關(guān)1 模擬開關(guān)的分類2 模擬開關(guān)的主要技術(shù)指標模擬開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)如下 1 通道數(shù)量 2 泄漏電流IS 3 導道電阻Ron 4 導通電阻的平坦度 5 切換速度 6 電源電壓范圍 4 2 4測量放大電路1 測量放大器電路原理 測量放大器原理電路 測量放大器的增益由下列公式來確定 從而測量放大器輸出電壓為為了提高測量放大器的共模抑制比和降低溫度漂移 測量放大器的電路結(jié)構(gòu)采用對稱行式 一般取 可得增益表達式為很顯然 調(diào)節(jié)Rg可以很方便地改變測量放大器的增益大小 2 測量放大器主要技術(shù)指標測量放大器的主要技術(shù)指標有下面六個方面1 共模抑制比共模抑制比CMRR可表示為2 溫度漂移3 非線性度4 建立時間5 恢復時間6 電源引起的失調(diào) 4 2 5模擬量 激勵信號 輸出1 D A轉(zhuǎn)換原理根據(jù)疊加原理 D為任意數(shù)時四位D A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓 R 2R梯形網(wǎng)絡D A轉(zhuǎn)換器原理 2 D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1 分辨率2 轉(zhuǎn)換精度3 轉(zhuǎn)換時間4 尖峰誤差 D A轉(zhuǎn)換器尖峰誤差及消峰原理 3 D A轉(zhuǎn)換電路輸入與輸出形式1 輸入方式2 輸出方式輸出輸入關(guān)系式為 D A轉(zhuǎn)換器單極性輸出電路 D A芯片連接成雙極性輸出的電路圖及數(shù)字量與模擬量的關(guān)系如下圖所示 D A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路 4 3采樣保持與A D轉(zhuǎn)換技術(shù) 4 3 1采樣保持器1 采樣保持的必要性在A D轉(zhuǎn)換期間 輸入的模擬信號發(fā)生變化 將會使A D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差 而且信號變化的快慢將影響誤差的大小 假設輸入信號是正弦波 而且要求對輸入信號的瞬時值進行測量 為了使模擬信號變化產(chǎn)生的A D轉(zhuǎn)換誤差小于A D轉(zhuǎn)換器分辨率的1 2 需要滿足下式 式中 為A D轉(zhuǎn)換器的滿度值 tc為轉(zhuǎn)換時間 為輸入信號 假定 且 則有 2 采樣保持器的組成原理采樣保持器 S H 可以取出輸入信號某一瞬間的值并在一定時間內(nèi)保持不變 采樣保持器有兩種工作方式 即采樣方式和保持方式 在采樣方式下 采樣保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓 在保持方式下 采樣保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時刻的電壓輸入值 直到保持命令撤銷為止 其原理如圖所示 采樣保持器電路原理 3 采樣保持器的主要性能指標主要性能指標如下 1 捕獲時間tAC 2 孔徑時間tAP 3 保持建立時間tHS 4 孔徑抖動 5 衰減率 采樣保持器的動態(tài)特性 4 3 2A D轉(zhuǎn)換器的分類和指標1 A D轉(zhuǎn)換器分類 表4 3列出了6種常用的A D轉(zhuǎn)換器比較 2 技術(shù)指標A D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標來評價其質(zhì)量水平 1 分辨率與量化誤差 A D轉(zhuǎn)換器的量化誤差 2 轉(zhuǎn)換精度 3 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指A D轉(zhuǎn)換器在每秒鐘內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù) 這個指標也可表述為轉(zhuǎn)換時間 即A D轉(zhuǎn)換從啟動到結(jié)束所需的時間 兩者互為倒數(shù) 例如 某A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為10MHz 則其轉(zhuǎn)換時間是100ns 轉(zhuǎn)換速度是一項重要的技術(shù)指標 速度越高價格越貴 4 滿刻度范圍滿刻度范圍是指A D轉(zhuǎn)換器所允許最大的輸入電壓范圍 滿刻度值只是個名義值 實際的A D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓值總比滿刻度值小1 2n n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 這是因為0值也是2n個轉(zhuǎn)換狀態(tài)中的一個 例如12位的A D轉(zhuǎn)換器 其滿刻度值為10V 而實際允許的最大輸入電壓值為 4 3 3高速A D轉(zhuǎn)換器的原理目前高速ADC主要有逐次逼近式 并行式和分級式等幾種類型 現(xiàn)簡介如下 1 逐次逼近式ADC逐次逼近式ADC是目前應用最普遍的一種ADC 其電路結(jié)構(gòu)簡單 2 并行 或稱閃爍 式ADC并行 或稱閃爍 式ADC是一種轉(zhuǎn)換速率最快的ADC 3 分級式ADC將兩個或多個較低分辨率的閃爍式ADC組合起來 構(gòu)成一個高分辨率的ADC是能夠?qū)崿F(xiàn)的 這就是目前流行的分級式ADC 又稱流水線或多級式ADC subranging pipelined multi stageormultistepADC 分級式ADC結(jié)構(gòu)框圖 AD9220 AD9221 AD9223的12位流水線型A D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖 4 4數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 4 4 1ADC與CPU直接數(shù)據(jù)傳輸1 程序控制的數(shù)據(jù)傳輸方式2 DMA控制的數(shù)據(jù)傳輸方式 4 4 2基于高速數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方式1 基于雙口RAM的高速數(shù)據(jù)緩存方式 2 基于FIFO的高速數(shù)據(jù)緩存方式FIFO FirstInFirstOut 是先進先出存儲器 其特點是 同一存儲器配備有兩個數(shù)據(jù)端口 一個是輸入端口 只負責數(shù)據(jù)的寫入 另一個是輸出端口 只負責數(shù)據(jù)的輸出 IDT72251是一個8KB 9的FIFO存儲器 4 5PCI總線及其接口技術(shù) 4 5 1基于PCI總線數(shù)據(jù)采集卡總體設計方案整個系統(tǒng)分成以下四大模塊 1 信號調(diào)理模塊 2 高速AD轉(zhuǎn)換模塊 3 PCI總線接口模塊 4 CPLD時序控制模塊 4 5 2PCI總線概述1 PCI總線特點PCI局部總線具有如下特點 1 高性能 2 線性突發(fā)傳輸 3 采用總線主控和同步操作 4 不受處理器限制 5 兼容性強 適合于各種機型 2 PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 3 PCI總線信號定義 PCI總線操作命令表 PCI局部總線信號 4 5 3PCI總線接口設計1 總線接口方案選擇PCI接口設計和ISA等I O接口設計有著完全不同的設計思想 PCI總線設備需要通過橋路控制器將PCI總線協(xié)議轉(zhuǎn)換成本地總線協(xié)議 設計相對復雜 大致有以下三種實現(xiàn)方法 1 采用普通FPGA實現(xiàn) 2 CPLD 集成總線控制器 3 采用特殊FPGA實現(xiàn) 2 PCI9054簡介PCI9054的主要功能特點如下 1 符合PCIV2 2規(guī)范 是一種新型的32位 33MHz總線主控接口控制器 2 采用通用總線主控接口 3 有32位多路復用或非多路復用本地局部總線 5 支持PCI雙地址周期 DAC 4 與PCIV2 2電源管理規(guī)范兼容 3 PCI接口電路設計基于PCI9054的PCI總線接口電路形式比較簡單 原理框圖如圖所示 PCI接口設計原理圖 PCI9054的本地總線仲裁信號包括 LHOLD LHOLDA ADS BLAST 和READY 應答握手信號LHOLD和LHOLDA直接相連 ADS BLAST 和READY 與CPLD實現(xiàn)的本地仲裁邏輯相連 如圖所示 本地仲裁邏輯圖 4 PCI配置空間的實現(xiàn) 1 配置空間簡介頭域空間的組織結(jié)構(gòu)如表所示 頭域空間的組織結(jié)構(gòu) 2 配置寄存器的訪問配置空間的訪問可以采用兩種方式 一種是采用BIOS訪問 第二種是采用I O口訪問 I O訪問比較簡單 PLX公司提供的PLXMON軟件可對設備卡進行調(diào)試 該軟件可以訪問設備卡的配置空間 在這個基礎之上又在Windows98下采用C語言寫了一段小程序?qū)ε渲每臻g進行了訪問 參考程序代碼如下 include includeVoidmain unsingnedlongdata address Address 0 x80000000 9 8 0 x100 插槽號為9 outpd 0 xocf8 address Data inpd 0 x0cfc Printf x data Address 0 x80000004 9 8 0 x100 訪問第二個寄存器 outpd 0 x0cf8 address Data inpd 0 x0cfc printf x data 4 6多通道的組建方案 4 6 1不帶采樣 保持器的A D轉(zhuǎn)換通道模擬輸入信號的最大變化率與A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率有如下關(guān)系 式中 ts A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間 UFS A D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓 n A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 對于正弦輸入信號 模擬信號電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時 則可得 4 6 2帶采樣 保持器的A D轉(zhuǎn)換通道當模擬輸入信號變化率較大時 A D通道需要使用采樣 保持器 這時模擬輸入信號的最大變化率取決于采樣 保持器的孔徑時間tAP 用tAP代替tC 其關(guān)系為如果將保持命令提前發(fā)出 提前的時間與孔徑時間相等時 則模擬輸入信號的最大變化率取決于孔徑時間的不穩(wěn)定性 即孔徑不確定度可由下式?jīng)Q定 例4 1 采樣頻率 問采樣頻率是否太高 解因為所以不高 但是 當 100MHz時 若其它值不變 則這時太高了 不能保證整個A D轉(zhuǎn)換正常進行 所以并不是只要有采樣 保持器 采樣頻率就可以不受限制 而是仍然存在最高采樣頻率的限制 帶采樣 保持器的A D通道的形式有以下幾種 1 多通道共享采樣 保持與A D轉(zhuǎn)換器 多路通道共享采樣 保持與A D轉(zhuǎn)換器 例4 2 設數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為8路巡回采集 A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為8位 信號幅值Um UFS 孔徑不定解可得 而根據(jù)孔徑誤差確定的信號上限頻率為 由于 信號的上限頻率取決于每路信號的吞吐時間 而非孔徑誤差 2 多通道共享A D轉(zhuǎn)換器 多通道共享A D轉(zhuǎn)換器 3 多通道并行A D轉(zhuǎn)換下圖為多通道并行A D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)框圖 4 7多功能數(shù)據(jù)采集卡典型實例分析 4 7 1多功能數(shù)據(jù)1 板卡的測量功能多功能DAQ板卡通常包括模擬量輸入 模擬量輸出 數(shù)字I O 定時 計數(shù)以及觸發(fā)等多種測量功能 1 信號采集 模擬量輸入 2 信號產(chǎn)生 模擬量輸出 3 計數(shù)與定時4 數(shù)字I O5 觸發(fā) 2 板卡的通信功能1 板卡與計算機的連接總線 1 內(nèi)插式DAQ板卡 2 外掛式DAQ板卡2 板卡與被測對象連接的輸入信號線DAQ板卡的模擬信號輸入模式有單端和差分兩種 其作用和連接方式是不同的 1 單端電壓信號輸入 2 差模電壓信號輸入 3 對板卡的基本要求根據(jù)測試對象及系統(tǒng)的技術(shù)指標 主要考慮下列因素 1 輸入信號的特性2 對輸入通道性能的要求輸入通道的主要技術(shù)指標有 1 通道的通過速率 2 通道的分辨率 3 通道的精度3 接口特性 4 7 2PCI 1200的組成原理及技術(shù)性能1 PCI 1200卡的組成原理1 PCI 1200卡的組成原理框圖 2 I O連接器PCI 1200卡通過I O連接器輸入或輸出模擬和數(shù)字信號 I O連接器引腳分布如圖所示 PCI 1200卡的I O連接器引腳說明如表所示 2 PCI 1200板卡的組態(tài)1 板卡模擬I O的組態(tài)2 模擬輸出極性3 模擬輸入極性 4 模擬輸入方式 1 RSE輸入 8通道 復位態(tài) 2 NRSE輸入 8通道 3 DIFF輸入 4通道 3 主要性能模擬輸入 1 模擬通道數(shù) 8路單端輸入或4路雙端輸入 DC耦合 2 信號輸入方式 單端輸入 有參考地和無參考地兩種 差分輸入 3 A D轉(zhuǎn)換器 逐次逼近型 12位 100KS s 4 輸入范圍 5V 雙極性 0 10V 單極性 劃分為七檔 5 每檔通道增益分別為 1 2 5 10 20 50 100 6 FIFO緩存容量 4096次采樣值 2 模擬輸出 1 輸出通道數(shù) 2路電壓輸出 2 分辨力 12位 1 4096 3 典型更新速率 20S S 1KS S 取決于系統(tǒng) 4 D A轉(zhuǎn)換器 雙緩沖 12位 5 s 滿量程建立時間 5 輸出范圍 0 10V 5V電壓輸出 DC耦合 6 輸出特性 0 2 輸出阻抗典型值 2mA 驅(qū)動電源 3 數(shù)字I O 1 通道數(shù) 24I O 三個8位端口 用82C55并行接口芯片 2 兼容性 TTL電平 3 上電狀態(tài) 全部端口為方式O輸入4 定時I O 1 通道數(shù) 3路計數(shù)器 定時器 2 分辨力 16位 3 兼容性 TTL電平 4 基本時鐘 2MHz 4 7 3模擬輸入信號的連接1 模擬輸入信號的連接1 輸入的連接 模擬輸入信號范圍 2 信號源類型當組態(tài)PCI 1200卡的輸入模式和進行信號連接時 首先必須明確被測信號源是浮空的還是有參考地的 這兩種類型的信號源說明如下 1 浮空信號源 2 有參考地信號源2 輸入組態(tài)的應用PCI 1200卡可以組態(tài)成RSE NRSE或DIFF三種輸入方式中的任何一種 1 差分連接 DIF組態(tài) 的應用 1 有參考地信號源的差分連接下圖表示了有參考地的信號源與組態(tài)成DIFF輸入模式的PCI 1200卡的連接方法 2 浮空信號源的差分連接下圖表示了浮空信號源與組態(tài)成DIFF輸入模式的PCI 1200卡的連接方法 2 單端連接的應用單端連接是指PCI 1200卡所有模擬輸入信號均以一個公共地作為參考的連接 輸入信號連接在測量放大器的正輸入端 它們的共地點接在測量放大器的負輸入端 1 浮空信號源的單端連接 RSE組態(tài) 下圖表示了浮空信號源與組態(tài)成RSE模式的PCI 1200卡的連接方法 2 有參考地信號源的單端連接 NRSE組態(tài) 下圖表示了有參考地信號源與組態(tài)成NRSE模式的PCI 1200卡的連接方法 3 共模信號抑制 4 7 4PCI 1200卡的功能單元PCI 1200卡包含PCI接口電路 定時電路 模擬輸入電路 模擬輸出電路 數(shù)字I O等5個功能單元 1 PCI接口電路PCI 1200卡接口電路由PCI接口芯片和數(shù)字邏輯控制芯片構(gòu)成 如下圖所示 2 定時電路1 定時電路組成PCI 1200卡用兩片82C53定時 計數(shù)器為內(nèi)部A D D A轉(zhuǎn)換及通用I O提供定時功能 下圖為A B兩片定時電路的組成框圖 2 通用功能的定時信號連接 帶外部開關(guān)門的事件計數(shù) 頻率測量 3 模擬輸入電路1 模擬輸入通道的組成2 多路輸入及通道掃描3 抖動 Dither 電路4 ADC的輸出 4 模擬輸出電路1 模擬輸出電路下圖所示為模擬輸出電