凌华24bit数据采集卡——小数点后五位的精度[1]

小数点后五位的精度
——24-bit 数据采集卡
Grant Liu
BDM
ADLINK Inc.
grant.liu@ 深圳Æ北京Æ南京Æ上海Æ西安Æ成都Æ武汉
内容
·传感器与小信号
·24-bit 数据采集的挑战
·凌华科技的24-bit 技术
–结合传感器需求的电路设计
–Auto-zero 功能
–数位滤波能力
·规格与效能
传感器与小信号
·在测量/控制应用中，需要使用各式各样的传感器
取得实际环境中的物理量
–聲音(麦克风)
–温度(Thermocouple)
–压力(Load cell)
–加速度(加速规)
–位移量(LVDT)
–形变量(Strain gage)
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传感器与小信号
·聲音測試--麦克风
–原理
·动圈式–薄膜与線圈受到声波的压力在磁場中移動產生感应电流
·电容式–声波使震动膜产生震动而改变电容质，使输出电压改
变
–输出
·mV ~ V 的连续动态信号
–采样要求
·足够的动态范围
·数十到数百KHz 的采样频率
·重点於信号的动态变化而非信号的电压值(AC-coupling)
传感器与小信号
·应变测试–Strain gage
–原理
·薄膜上的电阻网路在形变时(弯曲或延伸) ，阻值会随之改变
·利用电挢设计将微小的电阻变化以电压形式输出
–输出
·uV~ mV 等级的微小电压信号
–采样要求
·小电压输入范围
·足够的采样分辨率(24-bit)
·重点於信号的决对电压值而非信号动态变化
·能够过滤系统或环境中的杂讯
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传感器与小信号
·其他诸如load cell, LVDT,加速规等传感器，都具有类似strain gage的特性
–需要一激励(Excitation) 电压源
–输出mV 等级的微小电压信号
–需要高分辨率的采集卡
–在转换电压为真实物理量时，需要精准的DC 电压值
24-bit 数据采集的挑战
·针对非动态信号，24-bit 的数据采集有以下的挑
战
–精准的激励电压源
·低温度飘移的精准电压源
·能够自动补偿接线所造成的压降
–小信号放大电路
·将mV 等级的小信号放大至ADC 的量程范围
·不同的增益(Gain) 设计配合不同的传感器输出
–补偿前级电路由於温度变化产生的Gain error与Offset
error
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24-bit 数据采集的挑战
–低通滤波
·小信号易受到系统或环境中的噪声干扰而产生不正确的读值
·在信号进入ADC 前先通过一个低通滤波器可以过滤高频噪声，
提高信号分辨率
–归零
·当未施予作用力於传感器时，传感器可能会输出一个非零的电
压值
·需透过软件或硬件方式补偿传感器零点的offset 值，以避免
未来在测量信号时的误差
凌华科技的24-bit 技术
·32-bit 33MHz PCI介面
·FPGA/CPLD 可程式化邏輯晶片核
心
·自我校正型、低雜訊類比電路
·可同步更新之兩通道信號產生器
·高電流、內部保護之傳感器激勵
電壓
·全面光耦合隔離數位電路，1500V
地對地隔離
·編碼器與脈波產生使用高速光耦
合器
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凌华科技的24-bit 技术
·24-bit 模拟输入规格
–24-bit ADC，最大30KHz 采样速度
–模拟电路带宽设定於1.6KHz
–+/-10V, +/-100mV 输入量程
–每个量程皆有+/-25% 偏电压补偿空间
–每组ADC 可接4 组全挢式傳感器
–最大输入保护+/-20V
–自动归零、自动满刻度较准
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5V -5V VEXEC0_OUT+(#27)
VEXEC0_OUT-(#61)VEXEC0_RSEN+(#26)VEXEC0_RSEN-(#60)
AI_CH0+(#34)AI_CH0-(#68)AGND(#32)
凌华科技的24-bit 技术
·结合传感器需求的电路设计--激励电压输出
–+/-5V 定电压输出
–低温度飘移，低杂讯–每组最大+/-120mA 输出
–输出级晶体过电压、电流及功率保护(150mA 限流，0.5W 功率保护)–导线电阻自动补偿(需以Remote sensing 方式进行6线式连线)
·Auto-zero 功能
–用于微小信号(<1mV)时，可以提高分辨率(2uV Æ100nV)
·使用2mV/V 的桥式Load-cell ，+/-5V 激励电压，则模拟输入电压于满刻度为20mV ；若为10Kg Load-cell ，则2uV 为1g ，100nV 为0.05g
–会导致取样速率变慢Æ降为一半速度
–+/-10V 档位不建议使用此功能
凌华科技的24-bit 技术
凌华科技的24-bit 技术
·低通数字滤波
–过滤高频噪声，提升有效分辨率
–使用256-tap Moving Average Filter 架构
–低通滤波会使信号响应延迟
·1KS/s 采样率下，会於0.256 秒内更新至新值
·1KS/s 采样加上Auto-zero 功能，将需0.512 秒
–输入信号大幅变动超过0.0003% 时，2 个采样周期内自动
刷新滤波器暂存区(filter flush)
·快速反应如待测物断裂等情形
·自动刷新(filter flush) 将导致记录曲线不连续，但不影响数据
正确性
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规格与效能
·模拟电压输出Analog Ouptput
–16-bit分辨率
–偏移型2进位编码(offset-binary coded)
–-10V ～+9.9997V输出范围
–不同通道可同步更新
–自动归零、自动满刻度校正
规格与效能
·隔离数字I/O介面
–开集极输出(open-collecotr)，最大外部电压35V
–双极性差动式输入，输入电阻 1.2K-ohm，最大承受24V ·Low: 0 ~ 1.4V
·High: 5 ~ 24V
–1000V地对地隔离
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规格与效能
·隔离型脉冲产生器Pulse Generator
–大于1MHz方波输出
–Duty-cycle可程序化
–可连续产生脉冲同时计数
–可依设定产生固定数目脉冲
–开集极输出，最大外部电压50V，最大电流100mA
规格与效能
·四倍精位移编码器输入4-quardrature encoder –单极性差动输入，输入电阻620-ohm，最大20V ·Low: 0~2.1V
·High: 5.62~20V
–大于1MHz之输入脉冲速度
–24-bit位移计数器，正逆转皆可计数
–可软件归零计数器
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规格与效能
·效能与精度演示。