数据采集基础
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采样周期的倒数 表示采样快慢的物理量 多少时间采一个点/每秒采样多少个点 Nyquist采样定律：fs>=2*fmax fs ：采样频率 fmax ：信号最高频率 一般最小为fs>=2.5*fmax 工程上一般取为fs>=6~8*fmax
A/D基本定义
足够的采样率下的采样结果
过低采样率下的采样结果
A/D转换过程—多路切换卡
1. 信号源控制 通道数 信号类型 (SE/DI) 信号范围 自动通道扫描
7. 隔离与 非隔离
3. A/D 数据缓冲区 数据寄存器 FIFO 缓冲区 AT 总线或 PCI 总线
4. 数据传输 I/O 指令 DMA 总线主控
模拟 信号
多 路 选 择
+ _
A/D 触发信号
A/D 转换器
A/D基本定义
下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling）
用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格
下列情况适用硬件触发模式
采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件
A/D基本定义
多通道采样
同步采样
采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步）
轮询采样
ห้องสมุดไป่ตู้只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实 现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步
突发模式采样
A/D基本定义
信号类型
从信号端来讲，信号分为
接地信号 浮空信号
从信号输入端来讲，输入方式分为
差分输入（DI） 接地信号 浮空信号 参考地单端输入（RSE） DI 适合 适合 无参考地单端输入（NRSE） RSE 不适合 适合
1 0 -1 -16384 -32767 -32768 +0.00031 0.00000 -0.00031 -5.00015 -10.00000 -10.00031
A/DData(Hex) FFF C00 801 800 7FF 400 001 000
Decimal Value 4095 3072 2049 2048 2047 1024 1 0
n
数据 缓冲区
中断信号
内存(Buffer)
CPU
5. 中断信号控制
2. 触发源控制 触发信号源 采样频率
6. A/D 分辨率与数据格式 数据位数 二进制代码或补码 单极性或双极性
A/D转换的过程—同步板卡
A/D触发信号
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
n
PCI总线
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
n
数据 缓冲区
双极性： e.x. -10V ~ +10V (20V范围) 单极性： e.x. 0V~+5V (5V范围) 跳线设置或编程设置
+5V 0V
-10V
可编程增益
对于大信号应用： 普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用： 高增益（1,10,100,1000）
例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益
External CLK / Trig（外部时钟）
三种方式的特点
软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样
A/D基本定义
Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事 上升沿触发 负沿触发 件的方法 下降沿触发 正沿触发
模拟触发 延时触发 预触发 中触发 后触发
触发 事件
数字触发
M
N
N M N N
FIFO Buffer
FIFO enable End of Conversion
FIFO Half-Full Interrupt Generation System
interrupt line
Scatter/Gather DMA
A/D Data FIFO Gathering Scatter memory Fragmented Physical Memory
PCI总线采集卡由PCI BIOS自动分配IRQ 多块PCI卡可共享同一中断 对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断 AD EOC INT1 IRQ INT1 共享 PCI FIFO Half-full MUX FlipINT2 Controller INT #A INT2 Timer Pacer 中断共享的实现Flops of PCI Bus MUX
几种信号输入方式的特点
差分输入
可避免接地回路干扰 可避免因环境引起的共模干扰
NRSE
可避免接地回路干扰
RSE
最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入
输入信号幅值较大，一般需>1V 连线比较短，一般<5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好
A/D基本定义
+10V
输入范围与增益
输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 单极性与双极性
Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt
DMA Terminal Count
Programmable Multiplexer
ACL-8316/12的中断系统
Jumper
AT Bus
CPU
interrupt lines
A/D基本定义
数据采集卡的中断系统
1024 × 1 / 100 KHz = 10.24 ms
A/D 数据传输方法
A/D数据采集应用
如何对数据实时处理
DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要 求 严格“实时”，内时钟触发 ＋ EOC中断 ＋ 实时操 作系统（或DOS）
用户自行在中断服务程序中处理数据
D/A基本定义
D/A：数字量—模拟量转换
数据采集基础知识讲座
内容大纲
信号与系统初步 信号采集的基本定理 基本定义
A/D D/A DIO Timer/Counter
信号与系统初步
一个典型的系统：
1101… 1101…
采样/量化
模拟输入 数字输入
模拟重建 数字信号 处理
模拟输出 数字输出
信号与系统初步 (续)
信号的分类：
开/关信号 数字量 脉冲队列 信号 直流信号 模拟量 时域信号
在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist
A/D基本定义
采样频率的控制
Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实 现） Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内 部定速时钟）
例如：频率 = 2MHz 时钟 /（C1*C2）（这里的C1与 C2是16位定时器的分频系数）
8259 Interrupt
CNT
4
8237 DMA 74244 Control
PC Base数据采集系统功能
A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出） Timer/Counter（定时器/计数器）
基本定义
A/D：模拟量—数字量转换
把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode)
内存(Buffer)
…
n
CPU
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
A/D基本定义
信号的频率
代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同：
语音：<4kHz 音乐：<20kHz 超声：20kHz~xxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz …
A/D基本定义
采样频率
External IRQ Clear IRQ
PCI-9111的中断系统
A/D基本定义
数据传输
Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMA
A/D Data Register
Transfer Data to memory by: ISA Bus or PCI Bus 1. inport instruction 2. DMA controller 3. PCI Bus-master
FIFO
先进先出存储器 First In First Out 用于A/D转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正 常情况下是空的
A/D基本定义
数据采集卡的中断系统
ISA总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择 DMA Enable Signal
External Interrupt EOC Interrupt Timer Interrupt FIFO Half-Full Int.
PC Based信号采集系统
PC Base DAQ系统架构
1
PC System
Address Latch ISA / PCI Expansion Slot
DAQ card
74244 Adress
1
DAC
2
Data Buffer
Data
ADC
3
2
I/O Read/Write
Decoder
DIO
4
3
A/D基本定义
采样精度/分辨率：Accuracy / Resolution
采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 振幅 电压表示：输入范围/2n 10.00 9.75 111 7.50 用户关心的最小可测电压值 分辨率 110 6.25 100 5.00 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示， 011 3.75 010 则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV 2.50 001
1.25 0 000 0 20 40 60 80 100 120 140 时间
A/D基本定义
A/D数据格式
A/D Data (Hex) 7FFF 4000 0001 0000 FFFF C000 8001 8000
二进制原码 Voltage (Volts) Decimal Value +32767 二进制循环码 +10.00000 +16384 +5.00015
t 10-
信息
on off t
状态 速率
t
0.985
幅值
t
形状 频率
f
频域信号
信号与系统初步 (续)
on 1off t 0-
数 字 信 号
t
开关信号
输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门
脉冲队列
输入： 读光编码器的输出信号 输出： 产生一个方波
对采集卡的要求
驱动能力 通道数 时钟频率 分辨率
A/D基本定义
能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率 叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成 分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变， 称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ＝ABS（采样 频率的最近整数倍－输入频率） 解决方案
Timer Logic
PCI Bus Controller
D/A
Retrieves Data
CPU
A/D基本定义
实现连续采样
Double Buffer DMA
A/D数据采集应用
对于不支持总线主控的采集卡。如何在 Windows下应用
Slave的PCI卡不支持DMA，只有中断；ISA卡的 DMA也要通过中断 Windows对中断的响应有延时 使用 FIFO 缓冲区来消除Windows延时的影响， 但数据不能进行“实时”处理 FIFO 可以存储至少10 ms的模拟信号数据
信号与系统初步 (续)
0.985
模 拟 信 号
t
t
f
电压信号
温度 压力 流量 应力
时域信号
雷达回波 血压变化 汽车点火波形
频域信号
振动 语音 声呐
对采集卡的要求
DC精度 分辨率 采样频率 精度 触发 分辨率 采样频率 精度 触发
信号采集
传感器 信号调理
放大 滤波 信号转换 ……
将外部信号采入计算机，并加以处理，最 后输出
Voltage (Volts) +10.000 +5.001 +0.005 0.000 -0.005 -5.001 -10.000 -10.005
实例1: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式
实例 2: 12 位, 双极性输入 二进制原码格式
A/D基本定义
隔离
模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号 隔离电压
NRSE 适合 适合
A/D基本定义
接地信号的测量
最好采用差分或NRSE方式 若采用RSE方式，会引入较大误差
A/D基本定义
浮空信号的测量
可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号 共模电压在允许范围之内 需在测量端与测量地之间连接偏置电阻
A/D基本定义
A/D基本定义
足够的采样率下的采样结果
过低采样率下的采样结果
A/D转换过程—多路切换卡
1. 信号源控制 通道数 信号类型 (SE/DI) 信号范围 自动通道扫描
7. 隔离与 非隔离
3. A/D 数据缓冲区 数据寄存器 FIFO 缓冲区 AT 总线或 PCI 总线
4. 数据传输 I/O 指令 DMA 总线主控
模拟 信号
多 路 选 择
+ _
A/D 触发信号
A/D 转换器
A/D基本定义
下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling）
用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格
下列情况适用硬件触发模式
采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件
A/D基本定义
多通道采样
同步采样
采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步）
轮询采样
ห้องสมุดไป่ตู้只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实 现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步
突发模式采样
A/D基本定义
信号类型
从信号端来讲，信号分为
接地信号 浮空信号
从信号输入端来讲，输入方式分为
差分输入（DI） 接地信号 浮空信号 参考地单端输入（RSE） DI 适合 适合 无参考地单端输入（NRSE） RSE 不适合 适合
1 0 -1 -16384 -32767 -32768 +0.00031 0.00000 -0.00031 -5.00015 -10.00000 -10.00031
A/DData(Hex) FFF C00 801 800 7FF 400 001 000
Decimal Value 4095 3072 2049 2048 2047 1024 1 0
n
数据 缓冲区
中断信号
内存(Buffer)
CPU
5. 中断信号控制
2. 触发源控制 触发信号源 采样频率
6. A/D 分辨率与数据格式 数据位数 二进制代码或补码 单极性或双极性
A/D转换的过程—同步板卡
A/D触发信号
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
n
PCI总线
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
n
数据 缓冲区
双极性： e.x. -10V ~ +10V (20V范围) 单极性： e.x. 0V~+5V (5V范围) 跳线设置或编程设置
+5V 0V
-10V
可编程增益
对于大信号应用： 普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用： 高增益（1,10,100,1000）
例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益
External CLK / Trig（外部时钟）
三种方式的特点
软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样
A/D基本定义
Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事 上升沿触发 负沿触发 件的方法 下降沿触发 正沿触发
模拟触发 延时触发 预触发 中触发 后触发
触发 事件
数字触发
M
N
N M N N
FIFO Buffer
FIFO enable End of Conversion
FIFO Half-Full Interrupt Generation System
interrupt line
Scatter/Gather DMA
A/D Data FIFO Gathering Scatter memory Fragmented Physical Memory
PCI总线采集卡由PCI BIOS自动分配IRQ 多块PCI卡可共享同一中断 对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断 AD EOC INT1 IRQ INT1 共享 PCI FIFO Half-full MUX FlipINT2 Controller INT #A INT2 Timer Pacer 中断共享的实现Flops of PCI Bus MUX
几种信号输入方式的特点
差分输入
可避免接地回路干扰 可避免因环境引起的共模干扰
NRSE
可避免接地回路干扰
RSE
最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入
输入信号幅值较大，一般需>1V 连线比较短，一般<5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好
A/D基本定义
+10V
输入范围与增益
输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 单极性与双极性
Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt
DMA Terminal Count
Programmable Multiplexer
ACL-8316/12的中断系统
Jumper
AT Bus
CPU
interrupt lines
A/D基本定义
数据采集卡的中断系统
1024 × 1 / 100 KHz = 10.24 ms
A/D 数据传输方法
A/D数据采集应用
如何对数据实时处理
DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要 求 严格“实时”，内时钟触发 ＋ EOC中断 ＋ 实时操 作系统（或DOS）
用户自行在中断服务程序中处理数据
D/A基本定义
D/A：数字量—模拟量转换
数据采集基础知识讲座
内容大纲
信号与系统初步 信号采集的基本定理 基本定义
A/D D/A DIO Timer/Counter
信号与系统初步
一个典型的系统：
1101… 1101…
采样/量化
模拟输入 数字输入
模拟重建 数字信号 处理
模拟输出 数字输出
信号与系统初步 (续)
信号的分类：
开/关信号 数字量 脉冲队列 信号 直流信号 模拟量 时域信号
在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist
A/D基本定义
采样频率的控制
Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实 现） Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内 部定速时钟）
例如：频率 = 2MHz 时钟 /（C1*C2）（这里的C1与 C2是16位定时器的分频系数）
8259 Interrupt
CNT
4
8237 DMA 74244 Control
PC Base数据采集系统功能
A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出） Timer/Counter（定时器/计数器）
基本定义
A/D：模拟量—数字量转换
把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode)
内存(Buffer)
…
n
CPU
模拟 信号
+ _
A/D 转换器
A/D基本定义
信号的频率
代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同：
语音：<4kHz 音乐：<20kHz 超声：20kHz~xxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz …
A/D基本定义
采样频率
External IRQ Clear IRQ
PCI-9111的中断系统
A/D基本定义
数据传输
Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMA
A/D Data Register
Transfer Data to memory by: ISA Bus or PCI Bus 1. inport instruction 2. DMA controller 3. PCI Bus-master
FIFO
先进先出存储器 First In First Out 用于A/D转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正 常情况下是空的
A/D基本定义
数据采集卡的中断系统
ISA总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择 DMA Enable Signal
External Interrupt EOC Interrupt Timer Interrupt FIFO Half-Full Int.
PC Based信号采集系统
PC Base DAQ系统架构
1
PC System
Address Latch ISA / PCI Expansion Slot
DAQ card
74244 Adress
1
DAC
2
Data Buffer
Data
ADC
3
2
I/O Read/Write
Decoder
DIO
4
3
A/D基本定义
采样精度/分辨率：Accuracy / Resolution
采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 振幅 电压表示：输入范围/2n 10.00 9.75 111 7.50 用户关心的最小可测电压值 分辨率 110 6.25 100 5.00 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示， 011 3.75 010 则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV 2.50 001
1.25 0 000 0 20 40 60 80 100 120 140 时间
A/D基本定义
A/D数据格式
A/D Data (Hex) 7FFF 4000 0001 0000 FFFF C000 8001 8000
二进制原码 Voltage (Volts) Decimal Value +32767 二进制循环码 +10.00000 +16384 +5.00015
t 10-
信息
on off t
状态 速率
t
0.985
幅值
t
形状 频率
f
频域信号
信号与系统初步 (续)
on 1off t 0-
数 字 信 号
t
开关信号
输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门
脉冲队列
输入： 读光编码器的输出信号 输出： 产生一个方波
对采集卡的要求
驱动能力 通道数 时钟频率 分辨率
A/D基本定义
能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率 叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成 分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变， 称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ＝ABS（采样 频率的最近整数倍－输入频率） 解决方案
Timer Logic
PCI Bus Controller
D/A
Retrieves Data
CPU
A/D基本定义
实现连续采样
Double Buffer DMA
A/D数据采集应用
对于不支持总线主控的采集卡。如何在 Windows下应用
Slave的PCI卡不支持DMA，只有中断；ISA卡的 DMA也要通过中断 Windows对中断的响应有延时 使用 FIFO 缓冲区来消除Windows延时的影响， 但数据不能进行“实时”处理 FIFO 可以存储至少10 ms的模拟信号数据
信号与系统初步 (续)
0.985
模 拟 信 号
t
t
f
电压信号
温度 压力 流量 应力
时域信号
雷达回波 血压变化 汽车点火波形
频域信号
振动 语音 声呐
对采集卡的要求
DC精度 分辨率 采样频率 精度 触发 分辨率 采样频率 精度 触发
信号采集
传感器 信号调理
放大 滤波 信号转换 ……
将外部信号采入计算机，并加以处理，最 后输出
Voltage (Volts) +10.000 +5.001 +0.005 0.000 -0.005 -5.001 -10.000 -10.005
实例1: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式
实例 2: 12 位, 双极性输入 二进制原码格式
A/D基本定义
隔离
模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号 隔离电压
NRSE 适合 适合
A/D基本定义
接地信号的测量
最好采用差分或NRSE方式 若采用RSE方式，会引入较大误差
A/D基本定义
浮空信号的测量
可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号 共模电压在允许范围之内 需在测量端与测量地之间连接偏置电阻
A/D基本定义