虚拟仪器技术资料

G

Uo Ui1 Ui2


1

2
R1 Rg

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
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
CMRR 20 lg Uoc (dB) Uic
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
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
直接型
反馈型
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
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

“数据采集”（Data Acquisition,DAQ）是指将模拟
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类 型 并联比较式 分级型
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

21 D1

20
D0 )

UR 24
D
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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
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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
1）输入方式
2）输出方式
输出输入关系式为
UOUT
1）分辨率与量ห้องสมุดไป่ตู้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。
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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
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UO

I 16
3R

1 16
UR 3R
3R


1 24
UR
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
UO

UR 24
(23
D3

22
D2
dui dt
tc

1 2
LSB

1 2
U FS 2n
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：
f

1
2 n2 t c
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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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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
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
部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，
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第4章 DAQ虚拟仪器硬件技术
引言 4.1 数据采集及数据采集系统 4.2 信号获取与信号调理技术 4.3 采样保持与A/D转换技术 4.4 数据存储与数据传输技术 4.5 PCI总线及其接口技术 4.6 多通道的组建方案 4.7 多功能数据采集卡典型实例分析
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引言
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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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Ii
20 lg Vi max Vi min
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
分类方式 按器件工艺结构
按转换器工作原理
按转换器精度
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
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
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…… …… ……
DAS的基本结构图表示如下
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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
数据采集 工业控制
型 高分辨率 高精度
16~24
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。
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
4095 5 4.9988V 4096
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。
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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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
I 20 lg Af max Af min
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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
H
A22 A32 A12 A22 A32
100%
式中 A1——基波振幅； Ak——第k次谐波（频率为kf）的振幅。
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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


VREF 28
D
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
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：
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）
按转换速率
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
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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
G Uo
(Uo1 Uo2 )Uo
Ui1 Ui2 (Ui1 Ui2 )(Uo1 Uo2 )
Uo1 Ui1 I g R1
Uo2 Ui2 I g R2
Ig
Ui1 Ui 2 Rg
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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
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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
U o1 U o2 R1 R2 Rg
Ui1 Ui2
Rg
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从而测量放大器输出电压为
Uo
Uo2

R4
R6
R6
1
R5 R3

Uo1
R5 R3
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
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