數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識重點課件

數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌北京凌華技術(shù)支持部數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌1內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步基本定義A/DD/ADIOTimer/Counter內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步2信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101…數(shù)字輸入數(shù)字信號處理1101…數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101…數(shù)3信號與系統(tǒng)初步(續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率onofft1-0-t0.985ttf信號模擬量數(shù)字量開/關(guān)信號脈沖隊列直流信號時域信號頻域信號信號與系統(tǒng)初步(續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率o4信號與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號輸入：檢測一個開關(guān)的打開/閉合輸出：打開/關(guān)閉一個閥門驅(qū)動能力通道數(shù)脈沖隊列輸入：讀光編碼器的輸出信號輸出：產(chǎn)生一個方波時鐘頻率對采集卡的要求信號與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號5信號與系統(tǒng)初步(續(xù))模擬信號電壓信號溫度壓力流量應(yīng)力DC精度頻域信號振動語音聲吶分辨率采樣頻率精度觸發(fā)對采集卡的要求時域信號雷達回波血壓變化汽車點火波形分辨率采樣頻率精度觸發(fā)0.985ttf信號與系統(tǒng)初步(續(xù))模擬信號電壓信號溫度頻域信號振動對采集6信號采集傳感器信號調(diào)理放大濾波信號轉(zhuǎn)換……將外部信號采入計算機，并加以處理，最后輸出信號采集傳感器7PCBased信號采集系統(tǒng)PCBased信號采集系統(tǒng)8PCBase數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換）DIO（數(shù)字量輸入/輸出）Timer/Counter（定時器/計數(shù)器）PCBase數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換9基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計算機能夠識別的數(shù)字信號采樣頻率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸入范圍(InputRange)(增益)：同步采樣(Simultaneousanaloginput)輪詢采樣(Multiplexanaloginput)突發(fā)模式采樣(Burstmode)觸發(fā)模式(Triggermode)隔離(Isolation)FIFO……基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換10A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時鐘數(shù)字量輸出A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時鐘數(shù)字量輸出11A/D轉(zhuǎn)換過程--多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1.信號源控制

通道數(shù)

信號類型(SE/DI)

信號范圍

自動通道掃描2.觸發(fā)源控制

觸發(fā)信號源

采樣頻率3.A/D數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)寄存器FIFO緩沖區(qū)AT總線或PCI總線內(nèi)存(Buffer)4.數(shù)據(jù)傳輸I/O指令DMA

總線主控中斷信號CPU5.中斷信號控制6.A/D分辨率與數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)位數(shù)

二進制代碼或補碼

單極性或雙極性7.隔離與非隔離A/D轉(zhuǎn)換過程--多路切換卡多+A/D模擬A/D觸發(fā)信號數(shù)12A/D轉(zhuǎn)換的過程--同步板卡模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器nPCI總線內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器n…模擬信號模擬信號A/D轉(zhuǎn)換的過程--同步板卡模擬A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)+A/13A/D基本定義信號的頻率代表信號變化快慢的物理量任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號頻率不同：語音：<4kHz音樂：<20kHz超聲：20kHz~xxMHzFM收音機：MHz雷達：xGHz…A/D基本定義信號的頻率14A/D基本定義采樣頻率采樣周期的倒數(shù)表示采樣快慢的物理量多少時間采一個點/每秒采樣多少個點Nyquist采樣定律：fs>=2*fmaxfs：采樣頻率

fmax：信號最高頻率一般最小為fs>=2.5*fmax工程上一般取為fs>=6~8*fmax采樣定律的特例等效時間采樣A/D基本定義采樣頻率15A/D基本定義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

A/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果過低采樣率下的采樣結(jié)16A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半信號中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias）混頻偏差（aliasfrequency）＝ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率）解決方案在A/D前加入低通濾波器，將信號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去稱為抗混疊濾波器A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Ny17A/D基本定義采樣頻率的控制SoftPolling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實現(xiàn)）TimerPacer（由8254定時器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時鐘）例如：頻率=2MHz時鐘/（C1*C2）（這里的C1與C2是16位定時器的分頻系數(shù)）ExternalCLK/Trig（外部時鐘）三種方式的特點軟件觸發(fā)最為簡單、易用，但無法精確控制采樣時序，適用于對時序要求不甚嚴(yán)格的場合，如采集DC信號內(nèi)部時鐘能夠精確控制采樣時序，但無法保證與外部信號嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無論時域還是頻域）均能夠滿足要求外部時鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求CLK與TriggerA/D基本定義采樣頻率的控制18A/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事件的方法MNN延時觸發(fā)預(yù)觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負沿觸發(fā)觸發(fā)事件A/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事19A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）用戶需要對所有采集事件進行明確控制時間要求不甚嚴(yán)格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)格同步高速、瞬態(tài)采集事件A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareT20A/D基本定義多通道采樣同步采樣采用多個A/D芯片，不同通道采用同一時鐘保證不同通道的采樣時間相同（信號同步）輪詢采樣只采用一個A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)不同通道的切換通道轉(zhuǎn)換時間可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步突發(fā)模式采樣用通道時鐘控制通道間的時間間隔用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔A/D基本定義多通道采樣21A/D基本定義信號類型從信號端來講，信號分為接地信號浮空信號從信號輸入端來講，輸入方式分為差分輸入（DI）參考地單端輸入（RSE）無參考地單端輸入（NRSE）一般來講，浮空信號和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合A/D基本定義信號類型接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適22A/D基本定義接地信號的測量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會引入較大誤差接地回路通常會在測量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾如果信號電壓很高并且信號源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE輸入方式A/D基本定義接地信號的測量23A/D基本定義浮空信號的測量可以用差分、RSE、NRSE方式測量浮空信號在差分輸入時，必須保證相對于測量地的信號共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測量端與測量地之間連接偏置電阻10Kohm<R1=R2<100Kohm信號為直流時，僅需要R2；若為交流信號，則R1、R2均為必需A/D基本定義浮空信號的測量24A/D基本定義幾種信號輸入方式的特點差分輸入可避免接地回路干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾NRSE可避免接地回路干擾RSE最簡單，若信號滿足下列條件，可選擇RSE輸入輸入信號幅值較大，一般需>1V連線比較短，一般<5m環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好所有輸入信號都與信號源共地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A/D基本定義幾種信號輸入方式的特點25A/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號的幅度/輸入信號的放大倍數(shù)單極性與雙極性雙極性：e.x.-10V~+10V(20V范圍)單極性：e.x.0V~+5V(5V范圍)跳線設(shè)置或編程設(shè)置可編程增益對于大信號應(yīng)用：普通增益（1,2,4,8）對于小信號應(yīng)用：高增益（1,10,100,1000）例如：輸入電壓范圍：+/-10V,普通增益可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VA/D基本定義輸入范圍與增益0V-10V+10V+5V26A/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy/Resolution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/2n用戶關(guān)心的最小可測電壓值舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV

振幅分辨率時間02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000A/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy/Res27A/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格式二進制原碼二進制循環(huán)碼實例2:12位,雙極性輸入二進制原碼格式實例1:16位,雙極性輸入

二進制循環(huán)碼格式A/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格式實例2:12位,雙極性28A/D基本定義隔離模擬光隔與數(shù)字光隔A/D的隔離一般隔離數(shù)字信號隔離電壓隔離的作用保護計算機降低噪聲模擬信號數(shù)字信號A/D基本定義隔離模擬信號數(shù)字信號29A/D基本定義FIFO先進先出存儲器FirstInFirstOut用于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用PCI總線的傳輸速率大于A/D轉(zhuǎn)換速率，F(xiàn)IFO正常情況下是空的利用BusMasteringDMA，最多可以單次DMA64MB，并不受限于FIFO大小A/D基本定義FIFO30A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ISA總線采集卡通過跳線選擇IRQ中斷源可選擇ATBusinterruptlinesExternalInterruptEOCInterruptTimerInterruptFIFOHalf-FullInt.DMATerminalCountProgrammableMultiplexerDMAEnableSignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)MostoftheISAADcardsonlyusetheEOCinterruptA/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ATBusinterru31A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)PCI總線采集卡由PCIBIOS自動分配IRQ多塊PCI卡可共享同一中斷對于PCI總線采集卡，軟件設(shè)計時必須考慮中斷共享中斷共享的實現(xiàn)PCIControllerINT#AofPCIBusIRQFlip-FlopsINT1ClearIRQINT1MUXADEOCINT2MUXTimerPacerFIFOHalf-fullExternalIRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)INT#AIRQINT132A/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸SoftwarePollingEOCINTFIFOHalfFullINTDMABusMasteringDMAScatterGatherDMAA/DDataRegisterISABusorPCIBusFIFOBuffer1.inportinstruction2.DMAcontroller3.PCIBus-masterTransferDatatomemoryby:FIFOenableInterruptGenerationSysteminterruptlineEndofConversionFIFOHalf-FullA/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸A/DDataRegisterIS33Scatter/GatherDMAPCIBusControllerCPUTimerLogicA/DD/ADataFIFOFragmentedPhysicalMemoryGatheringScattermemoryRetrievesDataScatter/GatherDMAPCIBusCPUTi34A/D基本定義連續(xù)采樣的實現(xiàn)DoubleBufferDMAA/D基本定義連續(xù)采樣的實現(xiàn)35A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對于不支持總線主控的采集卡。如何在Windows下應(yīng)用Slave的PCI卡不支持DMA，只有中斷；ISA卡的DMA也要通過中斷Windows對中斷的響應(yīng)有延時使用FIFO緩沖區(qū)來消除Windows延時的影響，但數(shù)據(jù)不能進行“實時”處理FIFO可以存儲至少10ms的模擬信號數(shù)據(jù)1024×1/100KHz=10.24msA/D數(shù)據(jù)傳輸方法使用FIFO半滿標(biāo)志位來產(chǎn)生一個中斷，然后在中斷服務(wù)程序中讀取A/D數(shù)據(jù)FIFO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)源或看門狗定時器觸發(fā)源A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對于不支持總線主控的采集卡。如何在Wind36A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用如何對數(shù)據(jù)實時處理DMA：高速，基本可滿足不太嚴(yán)格的實時處理要求嚴(yán)格“實時”，內(nèi)時鐘觸發(fā)＋EOC中斷＋實時操作系統(tǒng)（或DOS）用戶自行在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù)A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用如何對數(shù)據(jù)實時處理37D/A基本定義D/A：數(shù)字量—模擬量轉(zhuǎn)換將計算機內(nèi)部數(shù)字量信號轉(zhuǎn)成外部電壓建立時間(SettingTime)：指變化量為滿刻度時，達到終值1/2LSB時所需的時間更新頻率/采樣頻率(MaxDataUpdateRate)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸出范圍輸出信號類型電壓輸出電流輸出(Source、Sink)……D/A基本定義D/A：數(shù)字量—模擬量轉(zhuǎn)換38A/D與D/A測試能否用A/D卡采集脈沖信號？假如用100K的采集卡采集75K的信號，會得到什么樣的結(jié)果？簡要說明DI、RSE、NRSE的區(qū)別？凌華哪些板卡支持NRSE輸入？用PCI-9112的+/-10V進行采樣，最小可分辨多少電壓？對于mV級信號采用高增益的好處是什么？什么是FIFO？與DoubleBufferDMA的Buffer有何區(qū)別？PCI-6208V的D/A建立時間是2微秒，是否可以說其可以用作輸出頻率500KHz的任意波形發(fā)生器？A/D與D/A測試能否用A/D卡采集脈沖信號？39數(shù)字I/O基本定義I/O點數(shù)或通道數(shù)隔離與非隔離非隔離輸入輸出：TTL電平兼容隔離輸入類型：光電隔離輸入隔離輸出類型1：達林頓管輸出隔離輸出類型2：繼電器輸出輸出驅(qū)動能力I/O速度數(shù)字I/O基本定義I/O點數(shù)或通道數(shù)40隔離數(shù)字輸入隔離輸入信號電壓范圍依賴于限流電阻若要使用大負載則需用戶自定義限流電阻1.2KOhm隔離輸入PC814隔離數(shù)字輸入隔離輸入信號電壓范圍1.2KOhm隔離輸入PC41隔離數(shù)字輸出達林頓晶體管能夠提供比較大的“灌電流”驅(qū)動需要外部或內(nèi)部電源若為感性負載，必須使用外部電源+負載電源5~35V達林頓管-內(nèi)部電源VDD外部電源隔離數(shù)字輸出達林頓晶體管能夠提供比較大的“灌電流”驅(qū)動+負載42DIO基本定義既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容DIO基本定義既可作DI，也可作DO，程序控制43T/C基本定義Timer/Counter—82C54GATE：門控信號。只有當(dāng)GATE為H時計數(shù)CLK：時鐘。每輸入一個脈沖計數(shù)值減1OUT：計數(shù)輸出。當(dāng)計數(shù)到一定值時改變狀態(tài)。狀態(tài)的改變由工作方式?jīng)Q定NGATECLKOUTT/C基本定義Timer/Counter—82C5444T/C基本用法計輸入信號頻率設(shè)置計數(shù)初值N將已知長度(T)的脈沖輸入至GATE，待測信號輸至CLK測量T時間中的計數(shù)，即可算得輸入信號的頻率NGATECLKOUT輸入信號已知長度的脈沖T/C基本用法計輸入信號頻率NGATECLKOUT輸入信號已45T/C基本用法計輸入脈沖信號時間設(shè)置計數(shù)初值N將已知長度(t)的方波或脈沖輸入至CLK，待測信號輸至GATE測量脈沖過程中的計數(shù)，即可算得輸入信號的時間NGATECLKOUT輸入信號已知長度的脈沖T/C基本用法計輸入脈沖信號時間NGATECLKOUT輸入信46總結(jié)本次內(nèi)容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，對于凌華高速I/O將在今后專門介紹總結(jié)本次內(nèi)容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，對于凌47數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌北京凌華技術(shù)支持部數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌48內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步基本定義A/DD/ADIOTimer/Counter內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步49信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101…數(shù)字輸入數(shù)字信號處理1101…數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101…數(shù)50信號與系統(tǒng)初步(續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率onofft1-0-t0.985ttf信號模擬量數(shù)字量開/關(guān)信號脈沖隊列直流信號時域信號頻域信號信號與系統(tǒng)初步(續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率o51信號與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號輸入：檢測一個開關(guān)的打開/閉合輸出：打開/關(guān)閉一個閥門驅(qū)動能力通道數(shù)脈沖隊列輸入：讀光編碼器的輸出信號輸出：產(chǎn)生一個方波時鐘頻率對采集卡的要求信號與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號52信號與系統(tǒng)初步(續(xù))模擬信號電壓信號溫度壓力流量應(yīng)力DC精度頻域信號振動語音聲吶分辨率采樣頻率精度觸發(fā)對采集卡的要求時域信號雷達回波血壓變化汽車點火波形分辨率采樣頻率精度觸發(fā)0.985ttf信號與系統(tǒng)初步(續(xù))模擬信號電壓信號溫度頻域信號振動對采集53信號采集傳感器信號調(diào)理放大濾波信號轉(zhuǎn)換……將外部信號采入計算機，并加以處理，最后輸出信號采集傳感器54PCBased信號采集系統(tǒng)PCBased信號采集系統(tǒng)55PCBase數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換）DIO（數(shù)字量輸入/輸出）Timer/Counter（定時器/計數(shù)器）PCBase數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換56基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計算機能夠識別的數(shù)字信號采樣頻率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸入范圍(InputRange)(增益)：同步采樣(Simultaneousanaloginput)輪詢采樣(Multiplexanaloginput)突發(fā)模式采樣(Burstmode)觸發(fā)模式(Triggermode)隔離(Isolation)FIFO……基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換57A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時鐘數(shù)字量輸出A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時鐘數(shù)字量輸出58A/D轉(zhuǎn)換過程--多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1.信號源控制

通道數(shù)

信號類型(SE/DI)

信號范圍

自動通道掃描2.觸發(fā)源控制

觸發(fā)信號源

采樣頻率3.A/D數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)寄存器FIFO緩沖區(qū)AT總線或PCI總線內(nèi)存(Buffer)4.數(shù)據(jù)傳輸I/O指令DMA

總線主控中斷信號CPU5.中斷信號控制6.A/D分辨率與數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)位數(shù)

二進制代碼或補碼

單極性或雙極性7.隔離與非隔離A/D轉(zhuǎn)換過程--多路切換卡多+A/D模擬A/D觸發(fā)信號數(shù)59A/D轉(zhuǎn)換的過程--同步板卡模擬信號A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器nPCI總線內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器n…模擬信號模擬信號A/D轉(zhuǎn)換的過程--同步板卡模擬A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)+A/60A/D基本定義信號的頻率代表信號變化快慢的物理量任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號頻率不同：語音：<4kHz音樂：<20kHz超聲：20kHz~xxMHzFM收音機：MHz雷達：xGHz…A/D基本定義信號的頻率61A/D基本定義采樣頻率采樣周期的倒數(shù)表示采樣快慢的物理量多少時間采一個點/每秒采樣多少個點Nyquist采樣定律：fs>=2*fmaxfs：采樣頻率

fmax：信號最高頻率一般最小為fs>=2.5*fmax工程上一般取為fs>=6~8*fmax采樣定律的特例等效時間采樣A/D基本定義采樣頻率62A/D基本定義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

A/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果過低采樣率下的采樣結(jié)63A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半信號中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias）混頻偏差（aliasfrequency）＝ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率）解決方案在A/D前加入低通濾波器，將信號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去稱為抗混疊濾波器A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Ny64A/D基本定義采樣頻率的控制SoftPolling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實現(xiàn)）TimerPacer（由8254定時器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時鐘）例如：頻率=2MHz時鐘/（C1*C2）（這里的C1與C2是16位定時器的分頻系數(shù)）ExternalCLK/Trig（外部時鐘）三種方式的特點軟件觸發(fā)最為簡單、易用，但無法精確控制采樣時序，適用于對時序要求不甚嚴(yán)格的場合，如采集DC信號內(nèi)部時鐘能夠精確控制采樣時序，但無法保證與外部信號嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無論時域還是頻域）均能夠滿足要求外部時鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求CLK與TriggerA/D基本定義采樣頻率的控制65A/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事件的方法MNN延時觸發(fā)預(yù)觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負沿觸發(fā)觸發(fā)事件A/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事66A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）用戶需要對所有采集事件進行明確控制時間要求不甚嚴(yán)格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)格同步高速、瞬態(tài)采集事件A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareT67A/D基本定義多通道采樣同步采樣采用多個A/D芯片，不同通道采用同一時鐘保證不同通道的采樣時間相同（信號同步）輪詢采樣只采用一個A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)不同通道的切換通道轉(zhuǎn)換時間可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步突發(fā)模式采樣用通道時鐘控制通道間的時間間隔用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔A/D基本定義多通道采樣68A/D基本定義信號類型從信號端來講，信號分為接地信號浮空信號從信號輸入端來講，輸入方式分為差分輸入（DI）參考地單端輸入（RSE）無參考地單端輸入（NRSE）一般來講，浮空信號和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合A/D基本定義信號類型接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適69A/D基本定義接地信號的測量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會引入較大誤差接地回路通常會在測量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾如果信號電壓很高并且信號源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE輸入方式A/D基本定義接地信號的測量70A/D基本定義浮空信號的測量可以用差分、RSE、NRSE方式測量浮空信號在差分輸入時，必須保證相對于測量地的信號共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測量端與測量地之間連接偏置電阻10Kohm<R1=R2<100Kohm信號為直流時，僅需要R2；若為交流信號，則R1、R2均為必需A/D基本定義浮空信號的測量71A/D基本定義幾種信號輸入方式的特點差分輸入可避免接地回路干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾NRSE可避免接地回路干擾RSE最簡單，若信號滿足下列條件，可選擇RSE輸入輸入信號幅值較大，一般需>1V連線比較短，一般<5m環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好所有輸入信號都與信號源共地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A/D基本定義幾種信號輸入方式的特點72A/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號的幅度/輸入信號的放大倍數(shù)單極性與雙極性雙極性：e.x.-10V~+10V(20V范圍)單極性：e.x.0V~+5V(5V范圍)跳線設(shè)置或編程設(shè)置可編程增益對于大信號應(yīng)用：普通增益（1,2,4,8）對于小信號應(yīng)用：高增益（1,10,100,1000）例如：輸入電壓范圍：+/-10V,普通增益可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VA/D基本定義輸入范圍與增益0V-10V+10V+5V73A/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy/Resolution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/2n用戶關(guān)心的最小可測電壓值舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV

振幅分辨率時間02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000A/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy/Res74A/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格式二進制原碼二進制循環(huán)碼實例2:12位,雙極性輸入二進制原碼格式實例1:16位,雙極性輸入

二進制循環(huán)碼格式A/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格式實例2:12位,雙極性75A/D基本定義隔離模擬光隔與數(shù)字光隔A/D的隔離一般隔離數(shù)字信號隔離電壓隔離的作用保護計算機降低噪聲模擬信號數(shù)字信號A/D基本定義隔離模擬信號數(shù)字信號76A/D基本定義FIFO先進先出存儲器FirstInFirstOut用于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用PCI總線的傳輸速率大于A/D轉(zhuǎn)換速率，F(xiàn)IFO正常情況下是空的利用BusMasteringDMA，最多可以單次DMA64MB，并不受限于FIFO大小A/D基本定義FIFO77A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ISA總線采集卡通過跳線選擇IRQ中斷源可選擇ATBusinterruptlinesExternalInterruptEOCInterruptTimerInterruptFIFOHalf-FullInt.DMATerminalCountProgrammableMultiplexerDMAEnableSignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)MostoftheISAADcardsonlyusetheEOCinterruptA/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ATBusinterru78A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)PCI總線采集卡由PCIBIOS自動分配IRQ多塊PCI卡可共享同一中斷對于PCI總線采集卡，軟件設(shè)計時必須考慮中斷共享中斷共享的實現(xiàn)PCIControllerINT#AofPCIBusIRQFlip-FlopsINT1ClearIRQINT1MUXADEOCINT2MUXTimerPacerFIFOHalf-fullExternalIRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)INT#AIRQINT179A/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸SoftwarePollingEOCINTFIFOHalfFullINTDMABusMasteringDMAScatterGatherDMAA/DDataRegisterISABusorPCIBusFIFOBuffer1.inportinstruction2.DMAcontroller3.PCIBus-masterTransferDatatomemoryby:FIFOenableInterruptGenerationSysteminterruptlineEndofConversionFIFOHalf-FullA/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸A/DDataRegisterIS80Scatter/GatherDMAPCIBusControllerCPUTimerLogicA/DD/ADataFIFOFragmentedPhysicalMemoryGatheringScattermemoryRetrievesDataScatter/GatherDMAPCIBusCPUTi81A/D基本定義連續(xù)采樣的實現(xiàn)DoubleBufferDMAA/D基本定義連續(xù)采樣的實現(xiàn)82A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對于不支持總線主控的采集卡。如何在Windows下應(yīng)用Slave的PCI卡不支持DMA，只有中斷；ISA卡的DMA也要通過中斷Windows對中斷的響應(yīng)有延時使用FIFO緩沖區(qū)來消除Windows延時的影響，但數(shù)據(jù)不能進行“實時”處理FIFO可以存儲至少10ms的模擬信號數(shù)據(jù)1024×1/100KHz=10.24msA/D數(shù)據(jù)傳輸方法使用FIFO半滿標(biāo)志位來產(chǎn)生一個中斷，然后在中斷服務(wù)程序中讀取A/D數(shù)據(jù)FIFO數(shù)據(jù)查詢也是可以的，而中斷則被保留起來用