虚拟仪器技术(1)

积分式 高精度，低
成本 高抗干扰能
力
12~16
几~几十ms 几十~几百ms
几十kS/s 几~几十S/s
中
低
音频处理 数字仪器
数字仪器
V/F型
低成本 高分辨率
8~16 几十~几百
ms 几~几十S/s
低 数字仪器 简易A/D
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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。
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2．基于FIFO的高速数据缓存方式 FIFO（First In First Out）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。 IDT 72251是一个8KB×9的FIFO存储器
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2．PCI总线系统结构
PCI系统结构原理框图
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3．PCI总线信号定义
PCI局部总线信号
PCI总线操作命令表
C/BE#[3]
C/BE#[2]
C/BE#[ 1]
C/BE#[ 0]
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
命令类 型
中断响 应
特殊周 期
I/O读
0
0
1
1
I/O写
0
1
1
0
内存读
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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
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4.2.4 测量放大电路 1．测量放大器电路原理
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
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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
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2．PCI9054简介 PCI9054的主要功能特点如下：
（1）符合PCIV2.2规范，是一种新型的32位、 33MHz总线主控接口控制器
1）分辨率与量化误差
A/D转换器的量化误差
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2）转换精度
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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
按转换器工作原理
按转换器精度 按转换速率
类型
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
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
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：
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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
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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
65536
0.0015% 0.15mV
1048576
0.000095% 9.53μV
16777216
0.0000060% 0.60μV
（2）系统精度 （3）采集速率
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（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
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。
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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
“数据采集”（Data Acquisition,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（Data Acquisition
System,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
1. 低精度（8位及8位以下） 3. 高精度（13~16位）
2. 中精度（9~12位） 4. 超高精度（16位以上）
1. 低速（≥1ms） 3. 高速（1μs≥0.01μs）
2. 中速（1ms≥1μs） 4. 超高速（＜0.01μs）
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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
采样保持器电路原理
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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
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4.3.2 A/D转换器的分类和指标
1．A/D转换器分类
分类方式 按器件工艺结构
D/A转换器双极性输出电路
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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：
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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
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3．D/A转换电路输入与输出形式 u 1）输入方式 u 2）输出方式
输出输入关系式为
D/A转换器单极性输出电路
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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
主要特点 超高速
高速
分辨率 （位） 转换时间 采样频率 价格
主要用途
6~10
几十ns 几十MS/s
高
超高超 视频处理
8~16
几十~几百ns
几MS/s 高
视频处理 高速数据采
集
逐次逼近式 速度精度价格
等 综合性价比较
高
8~16
几~几十μs
几十~几百kS/s 中
数据采集 工业控制
型 高分辨率 高精度
16~24
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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。
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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
4.5 PCI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：
u （1）信号调理模块。 u （2）高速AD转换模块。 u （3）PCI总线接口模块。 u （4）CPLD时序控制模块。
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4.5.2 PCI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
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
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4.2.5 模拟量（激励信号）输出 1. D/A转换原理
R-2R梯形网络 D/A转换器原 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
0
1
1
1
内存写
1
0
1
0
配置读
1
0
1
1
配置写
1
1
0
0
内存重 复读
1
1
0
1
双周期
高速缓
1
1
1
0
存读
1
1
1
1
高速缓 存写
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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： （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
测量放大器原理电路
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测量放大器的增益由下列公式来确定
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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。
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2．测量放大器主要技术指标
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DAS的基本结构图表示如下
虚拟wk.baidu.com器技术(1)
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。
位数
8 12 16 20 24
级数
1 LSB
1 LSB
（满度值的百分数） （10V满度）
256
0.391% 39.1mV
4096
0.0244% 2.44mV
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2020/12/5
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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。
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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
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（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。
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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。
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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-stage or multistep ADC）。
分级式ADC结构框图
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AD9220/AD9221/AD9223的12位流水线型A/D转换器结构框图
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4.4 数据存储与数据传输技术
4.4.1 ADC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
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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