數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。

圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式每個通道都有各自獨(dú)自的采樣保持器與A/D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)形式可以對各通道輸入信號進(jìn)行同步、高速數(shù)據(jù)采集。多通道A/D轉(zhuǎn)換

各通道有各自獨(dú)立的采樣保持器，但公用一個A/D轉(zhuǎn)換器。通過多路開關(guān)分，對各路信號分時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號的同步采集，但采集速度稍慢。單通道共享A/D轉(zhuǎn)換器

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式各通道公用一個采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。工作時，通過多路開關(guān)將各路信號分時切換，輸入到公用的采樣保持器中，實現(xiàn)多路信號的分時采集，而非同步采集。并且采集速度最慢。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件成本，適于對采集速度要求不高的應(yīng)用場合。多通道共享采樣保持器與A/D轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.系統(tǒng)分辨率：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿刻度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示。有時也用信號滿刻度值可以劃分的級數(shù)來表示。

位數(shù)級數(shù)1LSB（滿度值的百分?jǐn)?shù)）1LSB（10V滿度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表1.1系統(tǒng)的分辨率（滿度值為10V）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)2.系統(tǒng)精度：當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。3.采集速率（系統(tǒng)通過速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內(nèi)所完成的采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。“采集”包括對被測物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲等過程。采集速率的倒數(shù)是采樣周期。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)4.動態(tài)范圍：某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)。采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值Vimax與最小幅值Vimin之比的分貝數(shù)，動態(tài)范圍：瞬時動態(tài)范圍：對大動態(tài)范圍信號的高精度采集時，某一時刻系統(tǒng)所能采集到的信號的不同頻率分量幅值之比的最大值，即幅值最大頻率分量的幅值A(chǔ)fmax與幅度最小頻率分量的幅值A(chǔ)fmin之比的分貝數(shù)。瞬時動態(tài)范圍：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)5.非線性失真（諧波失真）：給系統(tǒng)輸入一個頻率為f的正弦波時，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf（k為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧波失真系數(shù)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度，它通常用下式表示：A1為基波振幅，Ak為第k次諧波的振幅。微弱信號檢測方法提高信號檢測靈敏度或降低可檢測下限的基本方法：從傳感器及放大器入手：降低固有噪聲水平、研制新的低噪聲傳感器。分析測量中的噪聲規(guī)律和信號規(guī)律，通過各種手段從噪聲中提取信號。對傳感器的基本要求是：測量范圍寬，線性好，靈敏度高，噪聲低，譜段寬，響應(yīng)快，壽命長，便于匹配，均衡穩(wěn)定。用于弱信號檢測的傳感器，首要要求是高靈敏度、低噪聲。填空：16*1=16判斷6*1=6簡答6*6=36分析10+10+10+12=12分放大器使用測量放大器的原因：弱信號、強(qiáng)干擾；動態(tài)范圍寬，共模干擾電壓大。目的：檢測疊加在高共模電壓上的微弱信號。要求：高輸入阻抗、共模抑制能力強(qiáng)、失調(diào)及漂移小、噪聲低、閉環(huán)增益穩(wěn)定性高。分類：技術(shù)指標(biāo)：放大倍數(shù)：AU、AUS、Ai、Ais輸入阻抗：Ri=U0/Ii輸出阻抗通頻帶混頻偏差采樣率過低的結(jié)果是還原信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊（alias）。出現(xiàn)的混頻偏差（aliasfrequency）是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。采樣頻率fs是100HZ信號調(diào)理信號調(diào)理能夠在信號、傳感器、DAQ板卡和PC機(jī)之間提供接口。通常的信號調(diào)理類型包括：放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。A所以流入節(jié)點(diǎn)A的電流所以流入相鄰左側(cè)節(jié)點(diǎn)的電流依次減半。倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)是集成DA轉(zhuǎn)換器中采用最多的一種。從節(jié)點(diǎn)A向左看，每個節(jié)點(diǎn)等效電阻均為2R?？蓪懗龅谋磉_(dá)式

輸出模擬電壓為于是輸出電壓與權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)相比，電阻阻值僅兩種，便于集成。而多通道采樣方式循環(huán)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)換時間造成多通道不能同時采樣；可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步。同步采樣：每個通道采用獨(dú)立的放大器和采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器，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）；突發(fā)模式采樣：采樣頻率由掃描時鐘控制，通道切換時間間隔由通道時鐘控制。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)多通道共享采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器多通道同步型數(shù)據(jù)采集系通多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被測信號與數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的連接電壓信號可以分為接地和浮動兩種類型。接地信號：將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因為信號用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。浮動信號：一個不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。常見的浮動信號有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。測量系統(tǒng)可以分為差分（Differential）、參考地單端（RSE）、無參考地單端（NRSE）三種類型。

差分測量系統(tǒng)：信號輸入端分別與一個模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。一個理想的差分測量系統(tǒng)僅能測出(+)和(-)輸入端口之間的電位差，完全不會測量到共模電壓；實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對于測量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動范圍；可以用不同的方式來消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共模電壓超過允許范圍，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測量數(shù)據(jù)錯誤；參考地單端測量系統(tǒng)(ReferencedSingle-End，RSE)：也叫做接地測量系統(tǒng)，被測信號一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地AIGND。無參考地單端測量系統(tǒng)(NRSE)：信號的一端接模擬輸入通道，另一端接一個公用參考端，但這個參考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。幾種信號輸入方式的特點(diǎn)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輸入若信號滿足下列條件，可選擇RSE測量方式：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輸入信號源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配：對于電池、RTD、應(yīng)變片、熱電偶等信號源，由于阻抗很小，可以將這些信號源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號調(diào)理硬件上。直接將高阻抗的信號源接到插入式板卡上會導(dǎo)致出錯。測量放大器電路原理

三運(yùn)放測量放大器原理圖b.電阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。a.運(yùn)放A1、A2的特性一致性。對電路要求A1A2A3+_b1b2+_i––+++–由圖可知A1A2A3+_b1b2+_i––+++–放大器具有很高的抑制共模信號的能力令輸出uO與共模信號uIc無關(guān)A1A2A3+_b1b2+_i––+++–2.5測量放大電路

⑵抑制共模信號能力總線性能參數(shù)總線寬度：指數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，用位(bit)來表示。如8位、16位、32位、64位總線寬度。尋址能力：地址總線的位數(shù)及能直接尋址的存儲器空間的大小?？偩€頻率：總線的工作頻率，以MHz表示，是總線工作速率的一個重要參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸率：在一定的時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量，用每秒最大傳輸數(shù)據(jù)量來表示。計算公式：總線數(shù)據(jù)傳輸率=(總線寬度÷8位)*總線頻率總線定時協(xié)議：總線上進(jìn)行信息傳送必須遵守定時規(guī)則，以使源與目的同步。熱拔插：允許帶電插拔工作中的板卡。即插即用：自動配置擴(kuò)展板卡及其他設(shè)備的能力。負(fù)載能力：總線上所有能掛接的器件個數(shù)。2023/2/6西北農(nóng)林科技大學(xué)電子系31LabVIEW程序的基本構(gòu)成前面板（frontpanel）；流程框圖（blockdiagram）；圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)。簡單的LabVIEW問題IEEE-488總線定義IEEE-488總線由8條雙向數(shù)據(jù)線、3條信號交換線、5條通用控制線和8根地線組成。GPIB總線構(gòu)成管理總線（5根）掛鉤總線（3根）數(shù)據(jù)總線（8根）儀器A(計算機(jī))控者、講者和聽者功能IEC接口儀器B(激勵源)聽者功能IEC接口儀器C(數(shù)字萬用表)講者、聽者功能IEC接口儀器D(打印機(jī))聽者職能IEC接口DUT被測設(shè)備EOIRENSROIFCATNNDAVNRFDDAVDIO1~DIO8傳遞儀器消息和大部分接口消息，包括數(shù)據(jù)、命令和地址：傳送設(shè)備命令(7位)，傳送地址和數(shù)據(jù)(8位)。控制數(shù)據(jù)總線的時序，以保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏地傳輸信息?？刂艷PIB總線接口狀態(tài)?？偩€上的讀操作FRAME#信號有效，地址期開始，并在時鐘2的上升沿處穩(wěn)定有效。地址期內(nèi)，AD[3l:00]線傳輸一個有效地址，C/BE[3:0]#線傳輸一個總線命令。數(shù)據(jù)期從時鐘3的上升沿處開始，在此期間，AD[31:00]線傳送數(shù)據(jù)，而C/BE#作為字節(jié)使能線指明數(shù)據(jù)線上當(dāng)前傳輸哪幾個字節(jié)，從數(shù)據(jù)期開始到傳輸完成，C/B#始終保持有效?？偩€上的讀操作從設(shè)備被地址期內(nèi)發(fā)送的地址選中，提供DEVSEL信號和TRDY#信號，TRDY#在DEVSEL#之后出現(xiàn)。IRDY#號由主設(shè)備發(fā)出。在IRDY#和TRDY#同時有效的時鐘上升沿，數(shù)據(jù)傳輸開始，兩信號中的一個無效時，進(jìn)入等待周期，不傳輸數(shù)據(jù)。讀操作的地址期和數(shù)據(jù)期之間，AD線上要有交換期，要求TRDY#有效必須比地址的穩(wěn)定有效晚一拍，交換期過后，有DEVSEL#信號時，從設(shè)備必須驅(qū)動AD線。時鐘7處是最后一個數(shù)據(jù)期，由于主設(shè)備因某種原因不能完成最后一次傳輸(IRDY#有效)，故FRAME#不能撤銷，只有在時鐘8處，IRDY#為有效后，F(xiàn)RAME#信號才能撤銷。總線上的寫操作寫操作與讀操作相類似，也是FRAME#信號有效，地址周期開始，在時鐘2的上升沿處達(dá)到穩(wěn)定有效。整個數(shù)據(jù)期也與讀操作基本相同。在第三個數(shù)據(jù)期中，從設(shè)備連續(xù)插入了3個等待周期(TRDY#無效)。時鐘5處，傳輸雙方均插入了等待周期。FRAME#撤銷，以IRDY#無效為前提，以表明最后一個數(shù)據(jù)期。時鐘5處，主設(shè)備撤銷IRDY#，插入等待周期，要寫的數(shù)據(jù)延遲發(fā)送，字節(jié)使能信號不受等待周期的影響，不延遲?？偩€上的寫操作寫操作與讀操作的不同：寫操作中，數(shù)據(jù)和地址是由同一個設(shè)備(主設(shè)備)發(fā)出，址期與數(shù)據(jù)期之間沒有交換周期。只有一個數(shù)據(jù)期，F(xiàn)RAME#信號在沒有等待周期的情況下，在地址期(讀操作應(yīng)在交換周期)過后即撤銷。PCI總線傳輸?shù)慕K止過程主、從設(shè)備都可提出終止PCI總線傳輸要求，但無權(quán)單方面實施傳輸停止，停止控制由主設(shè)備完成。結(jié)束標(biāo)志是FRAME#信號和IRDY#信號均已撤銷，而后進(jìn)入總線空閑狀態(tài)。1.由主設(shè)備提出的終止：主設(shè)備通過撤銷FRAME#信號并建立IRDY#，提出終止請求，告訴從設(shè)備，現(xiàn)在進(jìn)入最后數(shù)據(jù)期，此后IRDY#一直有效，直到出現(xiàn)TRDY#信號，完成數(shù)據(jù)最后傳輸。接著IRDW便撤銷，達(dá)到完全終止的條件(FRAME#和IRDY#同時無效)，結(jié)束傳輸，進(jìn)入總線空閑狀態(tài)。VXI器件、模塊與主機(jī)箱1.VXI器件器件是組成VXI總線系統(tǒng)最基本的邏輯單元；通常，一個器件占據(jù)一塊VXI模塊，但也允許在一個模塊上實現(xiàn)多個器件和一個器件占據(jù)多個模塊；VXI系統(tǒng)中，最多可有256個器件，每個器件都有一個唯一的邏輯地址，邏輯地址的編號為0~255。器件之間的基本操作是信息傳輸。根據(jù)其性質(zhì)、特點(diǎn)和它所支持的通信規(guī)程，VXI總線器件分為:寄存器基器件消息基器件存儲器器件擴(kuò)展器件字節(jié)傳送協(xié)議字節(jié)傳送協(xié)議是命令者和從者之間進(jìn)行8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，借助“字節(jié)有效”和“字節(jié)請求”兩個字串行命令完成。1）字節(jié)有效命令-命令者利用“字節(jié)有效”命令向從者發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)D15~D9為命令標(biāo)識，內(nèi)容固定，D7~D0是命令者向從者發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)，D8用來傳送END消息，為1時表示這次發(fā)送的字節(jié)是字節(jié)串的最后一個字節(jié)，為0說明還有字節(jié)要發(fā)送。2）字節(jié)請求命令-命令者可用“字節(jié)請求”命令從從者處取回一個字節(jié)數(shù)據(jù)，“字節(jié)請求”命令是一個固定的16位命令，其編碼為DEEFH。從者在其數(shù)據(jù)低寄存器返回一個數(shù)據(jù)字節(jié)：

高、低速USB設(shè)備在集線器的終端位置及其所連的功能設(shè)備高、低速USB設(shè)備在集線器的終端位置及其所連的功能設(shè)備由于USB設(shè)備上的輸入保護(hù)設(shè)備可能互相排斥，因此當(dāng)觀察數(shù)據(jù)的輸入端口時，可能發(fā)現(xiàn)由電壓生成器產(chǎn)生的信號波形可能會變形?？拷O(shè)備的USB連接器上的D+或D-插口信號發(fā)送任何驅(qū)動狀態(tài)下，USB設(shè)備必須能接收上圖所示波形。波形從一個輸出阻抗為39Ω的電壓源直接進(jìn)入每個USB數(shù)據(jù)口。高速USB設(shè)備的連接是通過阻抗為90Ω±15%，最大單路時延為26ns的屏蔽雙絞線電纜進(jìn)行，其最大速率為12Mb/s，并且每個驅(qū)動器的阻抗必須在28Ω～44Ω之間。低速USB設(shè)備在插口端必須要有一個帶有串行A口連接器的可控制電纜，速率為1.5Mb/s。當(dāng)電纜與設(shè)備相連時，在D+/D-線上必須要有一個200～450PF的單終端電容器。低速電纜的傳播時延必須小于18ns，從而保證信號響在其上升沿或下降沿的第一個中點(diǎn)處產(chǎn)生，以允許電纜與一塊電容器相連。低速USB設(shè)備時序低速USB設(shè)備時序低速驅(qū)動器信號波形

驅(qū)動器信號端口經(jīng)過信號端的標(biāo)準(zhǔn)輸出電平，并有最小映象和阻尼高速USB設(shè)備的連接時序USB信號傳送USB數(shù)據(jù)收發(fā)器包含發(fā)送數(shù)據(jù)所需的差模輸出驅(qū)動器和接收數(shù)據(jù)用的差模輸入接收器。輸出信號時，差模輸出驅(qū)動器向USB電纜傳送信號。信號的低輸出狀態(tài)，驅(qū)動器穩(wěn)態(tài)輸出值必須小于0.3V，且要承擔(dān)1.5KΩ的負(fù)載加到3.6V電源的灌電流。信號的高輸出狀態(tài)，驅(qū)動器穩(wěn)態(tài)輸出值必須大于2.8V，且要承擔(dān)15KΩ的負(fù)載到地的拉電流。傳輸數(shù)據(jù)時，驅(qū)動器輸出是兩個相差180度的信號。即一個輸出高電平，另一個為低電平。接收器檢測到兩條線之間的電壓差，當(dāng)D+比D-高時，信號被定義為差?！?”；當(dāng)D-比D+高時，信號被定義為差模“0”。驅(qū)動器輸出還支持三態(tài)輸出，以保證可以進(jìn)行雙向半雙工通信。同時還需高阻抗來將那些正在進(jìn)行熱插入操作，或已經(jīng)連接了但電源卻沒有接通的下游設(shè)備同端口隔離開來。當(dāng)兩個差模數(shù)據(jù)輸入，以地電位為參考，D+和D-至少在0.8V到2.5V（此為允許的共模電壓范圍）之間時，接收器具有的靈敏度大于200mV。在沒有損壞，并以本地地電位為參考的條件下，接收器所能承受的穩(wěn)態(tài)輸入電壓是-0.5V到3.8V之間。每一條信號線都必須有一個單端接收器，這些接收器必須有一個位于0.8V到2.0V之間（TTL電平）的開關(guān)閥值電壓(稱為接收器閥值電壓VSE)。USB信號傳送數(shù)據(jù)傳輸是由差模信號來實現(xiàn)的。在接收器看來，如果數(shù)據(jù)線的D+至少比D-高200mV就代表一個差?！?”，而一個差?！?”則由D-至少比D+高200mV來表示。信號的交叉點(diǎn)必須位于1.3V和2.0V之間。數(shù)據(jù)的J和K狀態(tài)是系統(tǒng)中用于差模數(shù)據(jù)通信的兩個邏輯電平。差模信號是在數(shù)據(jù)線的信號交叉點(diǎn)處進(jìn)行測量的。只要信號的交叉電平位于共模范圍之內(nèi)，差模數(shù)據(jù)信號就與信號的交叉電平無關(guān)。當(dāng)總線不處在差模信號方式時，數(shù)據(jù)線必須處在單端接收器開關(guān)閥值（VSE）范圍（0.8V到2.0V之間）之外才有效，如“空閑”和“重新開始”狀態(tài)。注意，空閑和重新開始狀