第六章 虚拟仪器设计应用实例

（1）各种模拟电路的测试
（2）各种数字电路的测试 （3）各种电参数的测试 （4）各种非电量的测试
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6.2高速多功能DAQ主板
高速数据采集技术概况
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随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，对 数据采集系统的许多技术指标，如采样率、分辨率、 存储深度、信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了 越来越高的要求，其中前两项为评价超高速数据采集 系统的最重要技术指标。 超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、 声呐、遥感、图像、地质勘探、振动工程、无损检测、 智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时域反射 测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个 领域，进而不断推动着这些领域的发展。
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2、输入电路 主要由输入衰减器和输入耦合（AC和DC）选择开关S5组成 输入衰减器由R1C1和R2C2组成

衰减器的衰减量为
k1 Uo Z2 Ui Z1 Z 2 R2 1 j R2C2 R1 R2 1 j R1C1 1 j R2C2

式中Z1为C1和R1的并联阻抗，Z2为C2和R2的并联阻抗。若 R1C1=R2C2（调节C2来满足），则衰减量为
模拟输入通道的组成
高阻衰减器 输入 信号 量程A 选择B 码C D 前级放大器 低阻衰减器 IV
K1 A1
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后级放大器
8位100MHz 高速 ADC
64KB 高速 RAM EPP 接口
K2
A2
X4
计算机
CK 触发 12位 N DAC
fclk f s 触发控 制逻辑
WR
RD
分频器
地址 控制器
0100 0010
0.5
1 2 5 10
2
1 0.5 0.2 0.1
1
1 1 1 0.1
0.5
2.5 1.25 0.5 2.5
1
0.1 0.1 0.1 0.1
4
4 4 4 4
0000
0101 0011 0001 1101
20
50
0.05
0.02
0.1
0.1
1.25
0.5
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0.1
0.1
4
4
1011
____
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A15
A15
………
D4 A D3 A D2 A D1 A D0 A
IS61LV6416
½ AD9288
………
A8 A7
A8 A7
百度文库
………
AIN A
ENC A
OB
____
A0
………
A0
____
地址 计数器 （FPGA) 双向
采样时钟 f s （a） 采样时钟 AD输出数据 D0~D7 地址计数时钟 计数器输出地址 ( A0 ~ A15 )
计算机
FPGA 逻辑控制 D0 ~ D7 数字出 数字I/O 数字入 D0 ~ D7 D0 ~ D7 A0 ~ A15 D0 ~ D7
标准总线 通信接口
模入A 模入B
A0 ~ A15 信号调理 （发大、衰减） 双路DAC D0 ~ D7 D0 ~ D 缓存 RAM 7
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6.3模拟输入信号的调理
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高速数据采集的关键技术 1、高速A/D转换技术 最高采集速率首先受到采集器件A/D转换器性能的限制，高速 A/D器件是关键。目前，模数转换器件的速度高达1000MHz， 分辨率已高达24位；数模转换器件的速度也高达500MHz，分 辨率达18位。 在集成电路性能上，速度与精度总是一对矛盾体。
1001
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前级调理电路的设计 包括输入电路、前置放大器、中间衰减器等，其主要任务是将 被测输入信号进行衰减或放大，或得后面ADC所需幅值的电压
输入 高阻 分压 AD8066
U1 A1
5/2.5/1.25/0.5 + _
DC AC
R1 C1 S1 S2 S3 C2 X0
750×4 X
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系统结构图
通道 A A/D RAM 锁存
通道 B A/D RAM 写 读 锁存 标准总线
触发 外触发
采集 控制
写计数
RAM 地址 计数器
总线 接口
FPGA 采集时钟 f s 时钟 分频器
f（ 0 40MHz时钟）
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采集与存储的连线和时序图
D7 A D6 A AIN A D5 A I / O7 I / O6 I / O5 I / O4 I / O3 I / O2 I / O1 I / O0 WE
信号产生（模拟、数字输出）；
信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）； 定时与计数； 大容量数据存储。 实时信号处理。 总线与通信。
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6.4高速采集及存储系统设计
采集和存储系统方案设计
以一片高速双A/D转换器AD9288为核心，在高密度 可编程逻辑器件EPIC6Q240C6的控制下构成双通道数 据采集系统。上位机通过发送命令实现诸如采样频率、 量程设定和工作模式等设置命令给DAQ主板，经调理 后的信号从ADC的引脚输入，数据采集完成之后通过逻 辑控制直接将双通道数据分别存储至64K大容量RAM （IS61LV6416）。然后由上位机将采集数据读入。采 集的时序控制由FPGA逻辑电路完成。
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高速多功能DAQ主板的方案 高速多功能DAQ主板由模拟I/O、数字I/O、定时/ 计数三大部分组成。
模入A 模入B 信号调理 （衰减、放大） 双路ADCD0 ~ D7 缓存RAM D0 ~ D7 A0 ~ A15
计数入
计数/定时 D0 ~ D7
D0 ~ D7
D0 ~ D7 A0 ~ A15
加输入
减输入
_____
RD
fs
fs
存储器写信号 ____ (WE ) （b）
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采集系统核心器件——AD9288 AD9288是AD公司提供的半闪存式双8位高速模数转换器，该
器件使用+3V电源，最大采样频率为100MSPS，输入模拟带宽可达 475MHz以上，有内置基准电压源，在高速转换的同时能够保持低 功耗，在每个通道100MHz的速率下，其功耗仅为90mW。
器件的发展是在三个方面进行:
一是专攻速度 二是专攻精度
三是保证速度与精度兼顾
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2、高速采样存储技术 在高速采集中，每个新获取的采集数据都必须立即存 入采集存储器，因此它必须具有与采集速率同步的连 续接收数据的能力。 为了降低对存储速度的要求，常用的解决办法是利用 多个存储器并行工作，采用分时轮流写入，从而降低 对单个存储器的速度要求，但这对高速锁存器和精确 定时逻辑又提出了很高的要求。
k1 Uo Z2 R2 U i Z1 Z 2 R1 R2
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图给出了调整补偿电容时，方波脉冲信号通过衰减器的波形。 图（a）为正常（最佳）补偿的波形，此时波形无失真。图（b）为 过补偿的波形，图（c）为欠补偿的波形。
(a) 最佳补偿
（b）过补偿
（c）欠补偿
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2、驱动放大器的电路设计
510 510
U4 ~ U7 AD8054
_ +
U6
B
2 1.25V 5
AIN A REFIN A REFOUT
510
A + 510 2k
U5
510 + _ 510
U7
510
C 3
________
10k 10k
510 +5V 0~5V DAC7512 + _
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第6章 虚拟仪器概述
本章概述
6.1 概述
6.2 高速多功能DAQ主板
6.3 模拟输入信号的调理
6.4 高速采集及存储系统设计
6.5 时序控制逻辑设计
6.6 DDS信号源的设计
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6.1 概述
虚拟仪器通用测试平台的组成
虚拟仪器通用测试平台由硬件和软件两大部分组成 硬件部分包括：（1）个人计算机（PC）（2）外置式多 功能DAQ主板（3）系列化的测试与实验电路模板
通道量程的设计
输入通道的量程从50mV到50V，按1、2、5的倍率划分成 10档
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模拟输入通道的量程设计
量程（V） 0.05
0.1 0.2
A (K1A1K2A2) 20
10 5
K1 1
1 1
A1 5
2.5 1.25
K2 1
1 1
A2 4
4 4
S1S2S3S4 (程控码) 0110
采集a 频率b c 选择 d 码 e
40MHz
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2n
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基本指标 （1）带宽：高速DAQ主板的被测信号的带宽很宽 （0~1GHz以上） （2）分辨力：主要取决于ADC的位数，n位ADC，其幅 度（电压）分辨力为1/2n （3）量程：被测信号的幅度变化范围很宽，小到几毫伏， 大到几百伏。
750 375 低阻 分压器
S5
900K
A
X3
R2
B
Y3
167 375
1K
_ +
U3 X0
100K
450
X1
X
Y
Y0
50 375 750×4 750
S4
_ +
U2
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U Z2 k1 o U i Z1 Z 2
R2 1 j R2C2 R1 R2 1 j R1C1 1 j R2C2
A1
0.5
1.25
2.5
5
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后级驱动放大器的设计 ADC的驱动放大器的直流和交流性能直接影响ADC。 交流性能包括：带宽、建立时间、谐波失真、总谐波失 真、噪声及总谐波加噪声失真（THD+N）。直流性能包 括：增益、失调、温漂及增益线性误差。选择驱动放大 器的原则是：放大器的性能指标应该优于ADC的性能指 标。 （1）ADC驱动放大器的带宽 要实现高速转换，输入级的频响非常重要，通常要 求输入缓冲驱动级的响应要高于A/D转换的响应。 （2）ADC驱动放大器的噪声。 大部分采样ADC的输入带宽都比其最大采样频率大 很多。而ADC的驱动放大器的带宽又比ADC的输入带宽 大，通常
N N+1 N+5
AIN A, AIN B tA t EN t EL 1 / ts
SAMPLE N+2
SAMPLE N+3
SAMPLE N+4
t PD
tV
ENCDDE A,B
D7 B D0B
N-4 N-4
N-3 N-3
N-2 N-2
N-1 N-1
N N
N+1 N+1
N+2 N+2
(a) A,B通道用同一个时钟的定时图 N N+1 N+2 N+3 N+4
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3、前级放大器 前级放大器采用测量放大器的电路结构形式，它由高输入阻抗、 低噪声、宽带（145MHz）的场效应管双运放U1U2（AD8066） 和宽带运放U3（AD844）组成。 U1、U2和U3构成的程控增益测量放大器，当控制双4选1模拟开 关的通道选择码S2、S3时，则改变了放大器的增益。S2、S3与 增益A1的对应关系如表 S2 S3 00 01 10 11
-5V~+5V OP07
U9
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_
被测信号 ui
+ _
510
_
D 510
+
-128mV~+128mV
510
U4
510
OP07 U8
10k
6 7
输出数据 REFIN B ? AD9288 D0 ~ D7
AIN A
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2. 虚拟仪器的通用硬件平台
（1）通用硬件平台的基本功能 信号采集（模拟、数字输入）；
实验电路板
电源 62芯I/O插座
扩展I/O
AIN3 AIN1 AIN2 两路高速A/D采集
双积分A/D转换
DIN
DOUT AOUT1 AOUT2 AIN4
16路入 FPGA控制逻辑 16路出
EPP 接口
两路DDS信号源
6位电子计数器
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通用计算机
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软件部分包括：（1）基于Windows环境下的虚拟 仪器软件开发平台LabVIEW或LabWindows/CVI； （2）虚拟仪器库，包括有示波器、信号源、电压表、 计数器等十余种虚拟仪器驱动程序库；（3）系列化的 测试与实验的示范程序软件包。 虚拟仪器通用测试平台的应用
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（3）ADC有差分输入与单输入。有的ADC的输入级 完全是差分输入电路，但是用单端或差分电路驱动都可 以，例如AD9288、AD9220/21/23、AD9050。为了取得更 低的总谐波失真（THD）和最佳的无杂散动态范围 （SFDR），应该用差分放大器或差分变压器去驱动ADC。 （4）根据信号是单极性还是双极性，以及A/D转换器 要求的输入电平范围，驱动放大器还要完成极性变换和 电平转换。例如AD9288需要约+1V的直流偏置电压，而 且为单极性的电压，它要求有信号输入时AD9288的输入 电平范围为（1±0.5）V，即在+0.5V~+1.5V之内，驱动 放大器应完成所需要的极性变换和电平变换。