數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)

1、Advance technologies; Automate the world.數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)張斌張斌北京凌華技術(shù)支持部北京凌華技術(shù)支持部http:/http:/Advance technologies; Automate the world.內(nèi)容大綱內(nèi)容大綱 信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)與系統(tǒng)初步 基本定義基本定義 A/D D/A DIO Timer/CounterAdvance technologies; Automate the world.信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)與系統(tǒng)初步 一個(gè)典型的系統(tǒng)：一個(gè)典型的系統(tǒng)：模擬輸入模擬輸入采樣采樣/量化量化1101數(shù)字輸入數(shù)字輸入數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)處

2、理處理1101數(shù)字輸出數(shù)字輸出模擬重建模擬重建模擬輸出模擬輸出Advance technologies; Automate the world.信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)與系統(tǒng)初步 ( (續(xù)續(xù)) ) 信號(hào)的分類：信號(hào)的分類：信息信息狀態(tài)狀態(tài)速率速率幅值幅值形狀形狀頻率頻率onofft1-0-t0.985ttf信號(hào)信號(hào)模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量開開/關(guān)信號(hào)關(guān)信號(hào)脈沖隊(duì)列脈沖隊(duì)列直流信號(hào)直流信號(hào)時(shí)域信號(hào)時(shí)域信號(hào)頻域信號(hào)頻域信號(hào)Advance technologies; Automate the world.信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)與系統(tǒng)初步 ( (續(xù)續(xù)) ) 數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)onofft1-0-t開關(guān)信號(hào)開關(guān)信號(hào)

3、輸入：輸入：檢測(cè)一個(gè)開關(guān)的打開檢測(cè)一個(gè)開關(guān)的打開/閉合閉合輸出：輸出：打開打開/關(guān)閉一個(gè)閥門關(guān)閉一個(gè)閥門驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)能力通道數(shù)通道數(shù)脈沖隊(duì)列脈沖隊(duì)列輸入：輸入：讀光編碼器的輸出信號(hào)讀光編碼器的輸出信號(hào)輸出：輸出：產(chǎn)生一個(gè)方波產(chǎn)生一個(gè)方波時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率對(duì)采集卡的要求對(duì)采集卡的要求Advance technologies; Automate the world.信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)與系統(tǒng)初步 ( (續(xù)續(xù)) ) 模模擬擬信信號(hào)號(hào)電壓信號(hào)電壓信號(hào)溫度溫度壓力壓力流量流量應(yīng)力應(yīng)力DC精度精度頻域信號(hào)頻域信號(hào)振動(dòng)振動(dòng)語音語音聲吶聲吶分辨率分辨率采樣頻率采樣頻率精度精度觸發(fā)觸發(fā)對(duì)采集卡的要求對(duì)采集卡的要求時(shí)

4、域信號(hào)時(shí)域信號(hào)雷達(dá)回波雷達(dá)回波血壓變化血壓變化汽車點(diǎn)火波形汽車點(diǎn)火波形分辨率分辨率采樣頻率采樣頻率精度精度觸發(fā)觸發(fā)0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.信號(hào)采集信號(hào)采集 傳感器傳感器 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理 放大放大 濾波濾波 信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換 將外部信號(hào)采入計(jì)算機(jī)，并加以處理，最后輸出將外部信號(hào)采入計(jì)算機(jī)，并加以處理，最后輸出Advance technologies; Automate the world.采樣頻率、抗混頻濾波器和樣本數(shù)采樣頻率、抗混頻濾波器和樣本數(shù) 奶奎斯特頻率：給定采樣頻率那么能正確顯示信號(hào)而不奶奎斯特頻率：給定采樣頻

5、率那么能正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率。發(fā)生畸變的最大頻率。 混頻：由于采樣頻率太低而使得還原的信號(hào)頻率與原信混頻：由于采樣頻率太低而使得還原的信號(hào)頻率與原信號(hào)頻率不同，這種畸變稱為混頻。號(hào)頻率不同，這種畸變稱為混頻。 抗混頻濾波器：在信號(hào)被抗混頻濾波器：在信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換前讓信號(hào)經(jīng)過一個(gè)能轉(zhuǎn)換前讓信號(hào)經(jīng)過一個(gè)能將高于奶奎斯特的信號(hào)成分濾除掉的低通濾波器。將高于奶奎斯特的信號(hào)成分濾除掉的低通濾波器。 工程實(shí)踐中按照信號(hào)最高頻率成分的工程實(shí)踐中按照信號(hào)最高頻率成分的510倍進(jìn)行采樣。倍進(jìn)行采樣。Advance technologies; Automate the world.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)

6、成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換BUFFER/FIFO驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)存/BUFFER程序顯示硬件外觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)采集是否需要板上的BUFFER?數(shù)據(jù)采集是否需要使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步？Advance technologies; Automate the world.緩沖和觸發(fā)緩沖和觸發(fā)緩沖指計(jì)算機(jī)中的緩沖指計(jì)算機(jī)中的BUFFER，板上的不能保存數(shù)據(jù)。如果所使用，板上的不能保存數(shù)據(jù)。如果所使用DAQ卡上有卡上有DMA那就直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存了。那就直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存了。在以下幾種情況需要使在以下幾種情況需要使用用BUFFER: 1.需要采集許多樣本，其速率超過顯示或處理速度的。需要采集許多樣本，其速率

7、超過顯示或處理速度的。 2.需要連續(xù)采集并且同時(shí)進(jìn)行分析和顯示數(shù)據(jù)的。需要連續(xù)采集并且同時(shí)進(jìn)行分析和顯示數(shù)據(jù)的。 3.采樣周期必須準(zhǔn)確均勻通過樣本的。采樣周期必須準(zhǔn)確均勻通過樣本的。 在下列情況不適用在下列情況不適用BUFFER: 1.數(shù)據(jù)短小每秒只采集有限點(diǎn)的。數(shù)據(jù)短小每秒只采集有限點(diǎn)的。 2.需要縮減存儲(chǔ)器開支的。需要縮減存儲(chǔ)器開支的。觸發(fā)可以分為軟觸發(fā)和硬件觸發(fā)。觸發(fā)可以分為軟觸發(fā)和硬件觸發(fā)。1.當(dāng)用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確的采用軟觸發(fā)。當(dāng)用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確的采用軟觸發(fā)。2.當(dāng)采集事件需要定時(shí)非常準(zhǔn)確、用戶削減軟

8、件開支或采集事件需要與外部裝置同步時(shí)當(dāng)采集事件需要定時(shí)非常準(zhǔn)確、用戶削減軟件開支或采集事件需要與外部裝置同步時(shí)可以考慮采用硬件觸發(fā)?？梢钥紤]采用硬件觸發(fā)。Advance technologies; Automate the world.典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測(cè)物理量被測(cè)物理量采樣周期（秒）采樣周期（秒）流量流量1-2壓力壓力3-5液位液位6-8溫度溫度10-15成分成分15-20Advance technologies; Automate the world.采樣技術(shù)采樣技術(shù) 常規(guī)采樣：變化緩慢信號(hào)常規(guī)采樣：變化緩慢信號(hào) 間歇采樣：高速數(shù)據(jù)采集間歇采樣：高速數(shù)據(jù)采集

9、 變頻采樣：得明確信號(hào)隨時(shí)間變化的關(guān)系變頻采樣：得明確信號(hào)隨時(shí)間變化的關(guān)系 下采樣：即帶通采樣，適合于當(dāng)被采集信號(hào)中最低頻率下采樣：即帶通采樣，適合于當(dāng)被采集信號(hào)中最低頻率大于最高頻率一半時(shí)，可以采用。大于最高頻率一半時(shí)，可以采用。Advance technologies; Automate the world.模擬信號(hào)的采樣方式模擬信號(hào)的采樣方式 無條件采樣：無條件采樣：A/D轉(zhuǎn)換時(shí)刻準(zhǔn)備好的情況。包含定時(shí)采轉(zhuǎn)換時(shí)刻準(zhǔn)備好的情況。包含定時(shí)采樣和變步長采樣。便于信號(hào)顯示。無需控制信號(hào)介入。樣和變步長采樣。便于信號(hào)顯示。無需控制信號(hào)介入。 條件采樣：程序查詢、中斷控制方式。條件采樣：程序查詢、中

10、斷控制方式。 中斷方式：不適合信號(hào)源多的情況，適合一兩個(gè)特別重中斷方式：不適合信號(hào)源多的情況，適合一兩個(gè)特別重要信號(hào)不許錯(cuò)過的情況。要信號(hào)不許錯(cuò)過的情況。 查詢方式：能夠等待或一個(gè)系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)時(shí)可查詢方式：能夠等待或一個(gè)系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)時(shí)可以使用。以使用。 直接存儲(chǔ)器存取直接存儲(chǔ)器存取DMA：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。Advance technologies; Automate the world.多路開關(guān)多路開關(guān)電子式的多路開關(guān)可以分為雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)、集成電路開關(guān)電子式的多路開關(guān)可以分為雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)、集成電路開關(guān)三種。第一種開關(guān)速度快但漏電流

11、大、開路電阻小如果信號(hào)源內(nèi)阻大轉(zhuǎn)換三種。第一種開關(guān)速度快但漏電流大、開路電阻小如果信號(hào)源內(nèi)阻大轉(zhuǎn)換精度不高。把場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)和計(jì)數(shù)器、譯碼器、控制電路做成一片就是集精度不高。把場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)和計(jì)數(shù)器、譯碼器、控制電路做成一片就是集成多路開關(guān)。成多路開關(guān)。集成的多路開關(guān)有帶譯碼的和不帶譯碼的。有一對(duì)多的，也有既可一對(duì)多集成的多路開關(guān)有帶譯碼的和不帶譯碼的。有一對(duì)多的，也有既可一對(duì)多也可多對(duì)一的。其中也可多對(duì)一的。其中AD7501、AD7502、AD7503是多對(duì)一的，而是多對(duì)一的，而CD4501/CD4502則屬于后者。則屬于后者。多路開關(guān)配置時(shí)有單端接法和雙端接法。當(dāng)信號(hào)源信噪比小時(shí)采用后者，多路

12、開關(guān)配置時(shí)有單端接法和雙端接法。當(dāng)信號(hào)源信噪比小時(shí)采用后者，注意前者是將所有輸入信號(hào)均參考一個(gè)公共地，即各信號(hào)噪聲一樣，否則注意前者是將所有輸入信號(hào)均參考一個(gè)公共地，即各信號(hào)噪聲一樣，否則引入差模干擾。引入差模干擾。多路開關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)，建議軟件延時(shí)，以防轉(zhuǎn)換時(shí)的多路開關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)，建議軟件延時(shí)，以防轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬變尖峰電壓。即消抖。瞬變尖峰電壓。即消抖。多路開關(guān)可以擴(kuò)展使用以增加通道數(shù)目。多路開關(guān)可以擴(kuò)展使用以增加通道數(shù)目。在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集中，應(yīng)選用在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集中，應(yīng)選用“先斷后通先斷后通”的多路開關(guān)。否則，就會(huì)的多路開關(guān)。否則，就會(huì)發(fā)生兩個(gè)通道短接的現(xiàn)象，嚴(yán)重

13、時(shí)會(huì)損壞信號(hào)源或多路開關(guān)自身。發(fā)生兩個(gè)通道短接的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號(hào)源或多路開關(guān)自身。Advance technologies; Automate the world.PC BasedPC Based信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)Advance technologies; Automate the world.PC BasePC Base數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能 A/D轉(zhuǎn)換（模擬量轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）數(shù)字量轉(zhuǎn)換） D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換）模擬量轉(zhuǎn)換） DIO（數(shù)字量輸入（數(shù)字量輸入/輸出）輸出） Timer/Counter（定時(shí)器（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）計(jì)數(shù)器）Adva

14、nce technologies; Automate the world.基本定義基本定義 A/D：模擬量模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換 把外部電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)把外部電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào) 采樣頻率采樣頻率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 輸入范圍輸入范圍(Input Range)(增益增益)： 同步采樣同步采樣(Simultaneous analog input) 輪詢采樣輪詢采樣(Multiplex analog

15、input) 突發(fā)模式采樣突發(fā)模式采樣(Burst mode) 觸發(fā)模式觸發(fā)模式(Trigger mode) 隔離隔離(Isolation) FIFO Advance technologies; Automate the world.A/DA/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量輸入模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)鐘數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出Advance technologies; Automate the world.A/DA/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程- -多路切換卡多路切換卡多多路路選選擇擇+_A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬模擬信號(hào)信號(hào)A/D 觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)緩沖區(qū)n1. 信號(hào)源控制信號(hào)源

16、控制 通道數(shù)通道數(shù) 信號(hào)類型信號(hào)類型 (SE/DI) 信號(hào)范圍信號(hào)范圍 自動(dòng)通道掃描自動(dòng)通道掃描2. 觸發(fā)源控制觸發(fā)源控制 觸發(fā)信號(hào)源觸發(fā)信號(hào)源 采樣頻率采樣頻率3. A/D 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 FIFO 緩沖區(qū)緩沖區(qū)AT 總線或總線或 PCI 總線總線內(nèi)存內(nèi)存(Buffer)4. 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 I/O 指令指令 DMA 總線主控總線主控中斷信號(hào)中斷信號(hào)CPU5. 中斷信號(hào)控制中斷信號(hào)控制6. A/D 分辨率與數(shù)據(jù)格式分辨率與數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)位數(shù)數(shù)據(jù)位數(shù) 二進(jìn)制代碼或補(bǔ)碼二進(jìn)制代碼或補(bǔ)碼 單極性或雙極性單極性或雙極性7. 隔離與隔離與非隔離非隔離Advance tec

17、hnologies; Automate the world.A/D轉(zhuǎn)換的過程-同步板卡模擬模擬信號(hào)信號(hào) A/D觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器nPCI總線總線內(nèi)存內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n模擬模擬信號(hào)信號(hào)模擬模擬信號(hào)信號(hào)Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 信號(hào)的頻率信號(hào)的頻率 代表信號(hào)變化快慢的物理量代表信號(hào)變化快慢的物理量 任何一種信號(hào)都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加任何一種信號(hào)都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加 不同的信號(hào)頻率不同：不同的信號(hào)頻率不同：

18、 語音：語音：4kHz 音樂：音樂：=2*fmax fs ：采樣頻率采樣頻率 fmax ：信號(hào)最高頻率信號(hào)最高頻率 一般最小為一般最小為fs=2.5*fmax 工程上一般取為工程上一般取為fs=68*fmax 采樣定律的特例采樣定律的特例 等效時(shí)間采樣等效時(shí)間采樣Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果足夠的采樣率下的采樣結(jié)果 過低采樣率下的采樣結(jié)果過低采樣率下的采樣結(jié)果 Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 能夠正確顯示信號(hào)而

19、不發(fā)生畸變的最大頻率叫做能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半頻率，它是采樣頻率的一半 信號(hào)中所包含的頻率高于信號(hào)中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直頻率的成分，將在直流和流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias） 混頻偏差（混頻偏差（alias frequency） ABS（采樣頻率的最（采樣頻率的最近整數(shù)倍輸入頻率）近整數(shù)倍輸入頻率） 解決方案解決方案 在在A/D前加入低通濾波器，將信號(hào)中高于前加入低通濾波器，將信號(hào)中高于Nyquist頻率的信號(hào)成分濾去頻率的信號(hào)成分濾去 稱為稱為抗混疊濾波

20、器抗混疊濾波器Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 采樣頻率的控制采樣頻率的控制 Soft Polling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實(shí)現(xiàn)）指令實(shí)現(xiàn)） Timer Pacer（由（由8254定時(shí)器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時(shí)鐘）定時(shí)器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時(shí)鐘） 例如：頻率例如：頻率 = 2MHz 時(shí)鐘時(shí)鐘 /（C1*C2）（）（這里的這里的C1與與C2是是16位定時(shí)器的分位定時(shí)器的分頻系數(shù)）頻系數(shù)） External CLK / Trig（外部時(shí)鐘）（外部時(shí)鐘） 三種方式的特點(diǎn)三種方式的特點(diǎn) 軟件觸發(fā)

21、最為簡(jiǎn)單、易用，但無法精確控制采樣時(shí)序，適用于對(duì)時(shí)序軟件觸發(fā)最為簡(jiǎn)單、易用，但無法精確控制采樣時(shí)序，適用于對(duì)時(shí)序要求不甚嚴(yán)格的場(chǎng)合，如采集要求不甚嚴(yán)格的場(chǎng)合，如采集DC信號(hào)信號(hào) 內(nèi)部時(shí)鐘能夠精確控制采樣時(shí)序，但無法保證與外部信號(hào)嚴(yán)格同步，內(nèi)部時(shí)鐘能夠精確控制采樣時(shí)序，但無法保證與外部信號(hào)嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無論時(shí)域還是頻域）均能夠滿足要求但一般應(yīng)用（無論時(shí)域還是頻域）均能夠滿足要求 外部時(shí)鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求外部時(shí)鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求 CLK與與TriggerAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本

22、定義 Trigger（觸發(fā)）：?jiǎn)?dòng)、停止或同步采集事件的方法（觸發(fā)）：?jiǎn)?dòng)、停止或同步采集事件的方法MNN延時(shí)觸發(fā)延時(shí)觸發(fā)預(yù)觸發(fā)預(yù)觸發(fā)中觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負(fù)沿觸發(fā)負(fù)沿觸發(fā)觸發(fā)觸發(fā)事件事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 下列情況適用軟件觸發(fā)模式（下列情況適用軟件觸發(fā)模式（Software Trigger，非，非Soft Polling） 用戶需要對(duì)所有采集事件進(jìn)行明確控制用戶需要對(duì)所有采集事件進(jìn)行明確控制 時(shí)間要求不甚嚴(yán)

23、格時(shí)間要求不甚嚴(yán)格 下列情況適用硬件觸發(fā)模式下列情況適用硬件觸發(fā)模式 采集事件需要與外部裝置嚴(yán)格同步采集事件需要與外部裝置嚴(yán)格同步 高速、瞬態(tài)采集事件高速、瞬態(tài)采集事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 多通道采樣多通道采樣 同步采樣同步采樣 采用多個(gè)采用多個(gè)A/D芯片，不同通道采用同一時(shí)鐘芯片，不同通道采用同一時(shí)鐘 保證不同通道的采樣時(shí)間相同（信號(hào)同步）保證不同通道的采樣時(shí)間相同（信號(hào)同步） 輪詢采樣輪詢采樣 只采用一個(gè)只采用一個(gè)A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同通道的切芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同通道的切換換

24、通道轉(zhuǎn)換時(shí)間通道轉(zhuǎn)換時(shí)間 可以通過外加采樣可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步保持電路保證采樣的同步 突發(fā)模式采樣突發(fā)模式采樣 用通道時(shí)鐘控制通道間的時(shí)間間隔用通道時(shí)鐘控制通道間的時(shí)間間隔 用另一個(gè)掃描時(shí)鐘控制兩次掃描過程之間的間隔用另一個(gè)掃描時(shí)鐘控制兩次掃描過程之間的間隔Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 信號(hào)類型信號(hào)類型 從信號(hào)端來講，信號(hào)分為從信號(hào)端來講，信號(hào)分為 接地信號(hào)接地信號(hào) 浮空信號(hào)浮空信號(hào) 從信號(hào)輸入端來講，輸入方式分為從信號(hào)輸入端來講，輸入方式分為 差分輸入（差分輸入（DI） 參考地單端輸入（參考

25、地單端輸入（RSE） 無參考地單端輸入（無參考地單端輸入（NRSE） 一般來講，浮空信號(hào)和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。一般來講，浮空信號(hào)和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號(hào)接地信號(hào)浮空信號(hào)浮空信號(hào)DI適合適合適合適合RSE不適合不適合適合適合NRSE適合適合適合適合Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 接地信號(hào)的測(cè)量接地信號(hào)的測(cè)量 最好采用差分或最好采用差分或NRSE方式方式 若采用若采用RSE方式，會(huì)引入較大誤差方式，會(huì)引入較大誤差 接地回路通常會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置接地

26、回路通常會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾直流干擾 如果信號(hào)電壓很高并且信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，如果信號(hào)電壓很高并且信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用也可以采用RSE輸入方式輸入方式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 浮空信號(hào)的測(cè)量浮空信號(hào)的測(cè)量 可以用差分、可以用差分、RSE、NRSE方式測(cè)量浮空信號(hào)方式測(cè)量浮空信號(hào) 在差分輸入時(shí)，必須保證相對(duì)于測(cè)量地的信號(hào)共模電壓在允許范圍在差分輸入時(shí)，必須保證相對(duì)于測(cè)量地的信號(hào)共模電壓在允許范圍之內(nèi)之內(nèi) 需在測(cè)量端與測(cè)量地之間連接偏置

27、電阻需在測(cè)量端與測(cè)量地之間連接偏置電阻 10K ohmR1=R21V 連線比較短，一般連線比較短，一般5m 環(huán)境干擾很小或信號(hào)屏蔽比較好環(huán)境干擾很小或信號(hào)屏蔽比較好 所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地 否則建議選用差分輸入方式否則建議選用差分輸入方式 總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 輸入范圍與增益輸入范圍與增益 輸入信號(hào)的幅度輸入信號(hào)的幅度 / 輸入信號(hào)的放大倍數(shù)輸入信號(hào)的放大倍數(shù) 單極性與雙極性單極性與雙極性 雙極性：雙極性

28、： e.x. -10V +10V (20V范圍范圍) 單極性：?jiǎn)螛O性： e.x. 0V+5V (5V范圍范圍) 跳線設(shè)置或編程設(shè)置跳線設(shè)置或編程設(shè)置 可編程增益可編程增益 對(duì)于大信號(hào)應(yīng)用：對(duì)于大信號(hào)應(yīng)用： 普通增益（普通增益（1,2,4,8） 對(duì)于小信號(hào)應(yīng)用：對(duì)于小信號(hào)應(yīng)用： 高增益（高增益（1,10,100,1000） 例如：輸入電壓范圍：例如：輸入電壓范圍： +/-10V, 普通增益普通增益 可選擇的輸入電壓范圍：可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate th

29、e world.A/DA/D基本定義基本定義 采樣精度采樣精度/分辨率：分辨率：Accuracy / Resolution 采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 電壓表示：輸入范圍電壓表示：輸入范圍/2n 用戶關(guān)心的最小可測(cè)電壓值用戶關(guān)心的最小可測(cè)電壓值 舉例：假如舉例：假如10V的輸入信號(hào)用的輸入信號(hào)用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為為10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率時(shí)間時(shí)間02010012014040608010.008.757.506.255.003.

30、752.501.250111110100011010001000Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 A/D數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式 二進(jìn)制原碼二進(jìn)制原碼 二進(jìn)制循環(huán)碼二進(jìn)制循環(huán)碼A/D Data (Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384 +5.0001500011 +0.0003100000 0.00000FFFF-1 -0.00031C000-16384 -5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.000

31、31A/DData(Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.0054001024 -5.0010011-10.0000000-10.005實(shí)例實(shí)例 2: 12 位位, 雙極性輸入雙極性輸入二進(jìn)制原碼格式二進(jìn)制原碼格式實(shí)例實(shí)例1: 16 位位, 雙極性輸入雙極性輸入 二進(jìn)制循環(huán)碼格式二進(jìn)制循環(huán)碼格式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 隔離隔離 模擬光隔與數(shù)字光隔模擬光

32、隔與數(shù)字光隔 A/D的隔離一般隔離數(shù)字信號(hào)的隔離一般隔離數(shù)字信號(hào) 隔離電壓隔離電壓 隔離的作用隔離的作用 保護(hù)計(jì)算機(jī)保護(hù)計(jì)算機(jī) 降低噪聲降低噪聲模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 FIFO 先進(jìn)先出存儲(chǔ)器先進(jìn)先出存儲(chǔ)器 First In First Out 用于用于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用 PCI總線的傳輸速率大于總線的傳輸速率大于A/D轉(zhuǎn)換速率，轉(zhuǎn)換速率，F(xiàn)IFO正常情況下是空的正常情況下是空的 利用利用Bus Mastering DMA，最多可以單次最多可以單次DMA

33、64MB，并不受限于并不受限于FIFO大小大小Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng) ISA總線采集卡通過跳線選擇總線采集卡通過跳線選擇IRQ 中斷源可選擇中斷源可選擇AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8

34、316/12的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng) PCI總線采集卡由總線采集卡由PCI BIOS自動(dòng)分配自動(dòng)分配IRQ 多塊多塊PCI卡可共享同一中斷卡可共享同一中斷 對(duì)于對(duì)于PCI總線采集卡，軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮中斷共享總線采集卡，軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮中斷共享 中斷共享的實(shí)現(xiàn)中斷共享的實(shí)現(xiàn)PCIControllerINT #Aof PCI BusIRQFlip

35、-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer1. in

36、port instruction2. DMA controller3. PCI Bus-masterTransfer Data tomemory by:FIFO enableInterrupt GenerationSysteminterrupt lineEnd of ConversionFIFO Half-FullAdvance technologies; Automate the world.Scatter/Gather DMAScatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical

37、MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定義基本定義 連續(xù)采樣的實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣的實(shí)現(xiàn) Double Buffer DMAAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 對(duì)于不支持總線主控的采集卡。如何在對(duì)于不支持總線主控的采集卡。如何在Windows下應(yīng)下應(yīng)用用 Slave的的PCI卡不支持卡不支持DMA，只有中斷；，只有中斷；ISA卡的卡的DMA也要通過中斷也要通過中斷 Windo

38、ws對(duì)中斷的響應(yīng)有延時(shí)對(duì)中斷的響應(yīng)有延時(shí) 使用使用 FIFO 緩沖區(qū)來消除緩沖區(qū)來消除Windows延時(shí)的影響，延時(shí)的影響， 但數(shù)據(jù)不能進(jìn)行但數(shù)據(jù)不能進(jìn)行“實(shí)實(shí)時(shí)時(shí)”處理處理 FIFO 可以存儲(chǔ)至少可以存儲(chǔ)至少10 ms的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)數(shù)據(jù) 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms A/D 數(shù)據(jù)傳輸方法數(shù)據(jù)傳輸方法 使用使用FIFO 半滿標(biāo)志位來產(chǎn)生一個(gè)中斷，半滿標(biāo)志位來產(chǎn)生一個(gè)中斷， 然后在中斷服務(wù)程序中讀取然后在中斷服務(wù)程序中讀取 A/D數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) FIFO 數(shù)據(jù)查詢也是可以的，數(shù)據(jù)查詢也是可以的， 而中斷則被保留起來用作緊急事件觸發(fā)源或而中斷則被保留起來用作緊急事件觸

39、發(fā)源或看門狗定時(shí)器觸發(fā)源看門狗定時(shí)器觸發(fā)源Advance technologies; Automate the world.A/DA/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 如何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理如何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理 DMA：高速，基本可滿足不太嚴(yán)格的實(shí)時(shí)處理要求：高速，基本可滿足不太嚴(yán)格的實(shí)時(shí)處理要求 嚴(yán)格嚴(yán)格“實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)”，內(nèi)時(shí)鐘觸發(fā)，內(nèi)時(shí)鐘觸發(fā) EOC中斷中斷 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（或DOS） 用戶自行在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù)用戶自行在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù)Advance technologies; Automate the world.D/AD/A基本定義基本定義 D/A：數(shù)字量數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換模

40、擬量轉(zhuǎn)換 將計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)成外部電壓將計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)成外部電壓 建立時(shí)間建立時(shí)間(Setting Time)：指變化量為滿刻度時(shí)，達(dá)到終值：指變化量為滿刻度時(shí)，達(dá)到終值1/2LSB時(shí)時(shí)所需的時(shí)間所需的時(shí)間 更新頻率更新頻率/采樣頻率采樣頻率 (Max Data Update Rate) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 輸出范圍輸出范圍 輸出信號(hào)類型輸出信號(hào)類型 電壓輸出電壓輸出 電流輸出電流輸出(Source、Sink) Advance technologies; Automate the world.A/DA/D與與D/AD/A

41、測(cè)試測(cè)試 能否用能否用A/D卡采集脈沖信號(hào)？卡采集脈沖信號(hào)？ 假如用假如用100K的采集卡采集的采集卡采集75K的信號(hào)，會(huì)得到什么樣的的信號(hào)，會(huì)得到什么樣的結(jié)果？結(jié)果？ 簡(jiǎn)要說明簡(jiǎn)要說明DI、RSE、NRSE的區(qū)別？凌華哪些板卡支持的區(qū)別？凌華哪些板卡支持NRSE輸入？輸入？ 用用PCI-9112的的+/-10V進(jìn)行采樣，最小可分辨多少電壓？進(jìn)行采樣，最小可分辨多少電壓？ 對(duì)于對(duì)于mV級(jí)信號(hào)采用高增益的好處是什么？級(jí)信號(hào)采用高增益的好處是什么？ 什么是什么是FIFO？與？與Double Buffer DMA的的Buffer有何區(qū)別？有何區(qū)別？ PCI-6208V的的D/A建立時(shí)間是建立時(shí)間是2微秒，是否可以說其可以微秒，是否可以說其可以用作輸出頻率用作輸出頻率500KHz的任意波形發(fā)生器