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1、数据采集基础知识,北京凌华技术支持部 http:/ http:/,内容大纲,信号与系统初步 基本定义 A/D D/A DIO Timer/Counter,信号与系统初步,一个典型的系统：,信号与系统初步 (续),信号的分类：,信号与系统初步 (续),数字信号,信号与系统初步 (续),模拟信号,信号采集,传感器 信号调理 放大 滤波 信号转换 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出,PC Based信号采集系统,PC Base数据采集系统功能,A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出） Timer/Counter（定时器/计数器）,基本定义
2、,A/D：模拟量-数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO ,A/D转换过程,A/D转换器,A/D转换过程-多路切换卡,
3、多 路 选 择,+ _,A/D 转换器,模拟 信号,A/D 触发信号,数据 缓冲区,n,1. 信号源控制通道数信号类型 (SE/DI)信号范围自动通道扫描,2. 触发源控制触发信号源采样频率,3. A/D 数据缓冲区数据寄存器FIFO 缓冲区,AT 总线或 PCI 总线,内存(Buffer),4. 数据传输I/O 指令DMA总线主控,中断信号,CPU,5. 中断信号控制,6. A/D 分辨率与数据格式数据位数二进制代码或补码单极性或双极性,7. 隔离与 非隔离,A/D转换的过程-同步板卡,模拟 信号,A/D触发信号,数据 缓冲区,PCI总线,内存(Buffer),CPU,模拟 信号,模拟 信号
4、,A/D基本定义,信号的频率 代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同： 语音：4kHz 音乐：=2*fmaxfs ：采样频率fmax ：信号最高频率一般最小为fs=2.5*fmax工程上一般取为fs=68*fmax 采样定律的特例 等效时间采样,A/D基本定义,足够的采样率下的采样结果,过低采样率下的采样结果,A/D基本定义,能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（alias fre
5、quency） ABS（采样频率的最近整数倍输入频率） 解决方案 在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器,A/D基本定义,采样频率的控制 Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实现） Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟） 例如：频率 = 2MHz 时钟 /（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数） External CLK / Trig（外部时钟） 三种方式的特点 软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC信号 内部时钟能够精确控制采
6、样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求 外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求 CLK与Trigger,A/D基本定义,Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法,A/D基本定义,下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling） 用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格 下列情况适用硬件触发模式 采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件,A/D基本定义,多通道采样 同步采样 采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样 只采用一个
7、A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步 突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔,A/D基本定义,信号类型 从信号端来讲，信号分为 接地信号 浮空信号 从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（DI） 参考地单端输入（RSE） 无参考地单端输入（NRSE）一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。,A/D基本定义,接地信号的测量 最好采用差分或NRSE方式 若采用RSE方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰 如果信号电压
8、很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式,A/D基本定义,浮空信号的测量 可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内 需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10K ohmR1=R21V 连线比较短，一般5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好 所有输入信号都与信号源共地 否则建议选用差分输入方式 总体而言，差分输入方式是比较好的选择,A/D基本定义,输入范围与增益 输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 单极性与双极性 双极性： e.x. -10V +10V (20V范围) 单极性： e.x. 0V+5V (
9、5V范围) 跳线设置或编程设置 可编程增益 对于大信号应用： 普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用： 高增益（1,10,100,1000） 例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益 可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V,0V,-10V,+10V,+5V,A/D基本定义,采样精度/分辨率：Accuracy / Resolution 采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围/2n 用户关心的最小可测电压值 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为
10、10/212=0.224mV,振幅,分辨率,时间,0,20,100,120,140,40,60,80,10.00 8.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0,111 110 100 011 010 001 000,A/D基本定义,A/D数据格式 二进制原码 二进制循环码,实例 2: 12 位, 双极性输入 二进制原码格式,实例1: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式,A/D基本定义,隔离 模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号 隔离电压 隔离的作用 保护计算机 降低噪声,模拟信号,数字信号,A/D基本定义,FIFO 先进先出存储器 First In
11、 First Out 用于A/D转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正常情况下是空的 利用Bus Mastering DMA，最多可以单次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小,A/D基本定义,数据采集卡的中断系统 ISA总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择,AT Bus,interrupt lines,External Interrupt,EOC Interrupt,Timer Interrupt,FIFO Half-Full Int.,DMA Terminal Count,Programmable Multiplexer,DMA Enable Sign
12、al,CPU,Jumper,ACL-8316/12的中断系统,Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt,A/D基本定义,数据采集卡的中断系统 PCI总线采集卡由PCI BIOS自动分配IRQ 多块PCI卡可共享同一中断 对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享 中断共享的实现,PCI Controller,INT #A of PCI Bus,IRQ Flip-Flops,INT1,Clear IRQ,INT1 MUX,AD EOC,INT2 MUX,Timer Pacer,FIFO Half-full,External IR
13、Q,INT2,PCI-9111的中断系统,A/D基本定义,数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMA,A/D Data Register,ISA Bus or PCI Bus,FIFO Buffer,1. inport instruction 2. DMA controller 3. PCI Bus-master,Transfer Data to memory by:,FIFO enable,Interrupt Generation System,interr
14、upt line,End of Conversion,FIFO Half-Full,Scatter/Gather DMA,PCI Bus Controller,CPU,A/D,D/A,Data FIFO,Fragmented Physical Memory,Gathering Scatter memory,Retrieves Data,A/D基本定义,连续采样的实现 Double Buffer DMA,A/D数据采集应用,对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下应用 Slave的PCI卡不支持DMA，只有中断；ISA卡的DMA也要通过中断 Windows对中断的响应有延时 使用 FI
15、FO 缓冲区来消除Windows延时的影响， 但数据不能进行“实时”处理 FIFO 可以存储至少10 ms的模拟信号数据 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms A/D 数据传输方法 使用FIFO 半满标志位来产生一个中断， 然后在中断服务程序中读取 A/D数据 FIFO 数据查询也是可以的， 而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源,A/D数据采集应用,如何对数据实时处理 DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求 严格“实时”，内时钟触发 EOC中断 实时操作系统（或DOS） 用户自行在中断服务程序中处理数据,D/A基本定义,D/A：数字量模拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压 建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时所需的时间 更新频率/采样频率 (Max Data Update Rate) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围 输出信号类型 电压输出 电流输出(Source、Sink) ,
